Bảo vệ chống xung quá độ trong mạng hạ áp luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật điện

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào vi MC LC Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các bng ix Danh sách các hình x ng Quan 1 1.1. Giới thiu 1 1.2. Tổng quan về các thiết bị bo v quá áp trên đường nguồn h áp 3 1.2.1 Giới thiu 3 1.2.2.Hin tượng quá độ 4 1.2.3.Tỷ l xuất hin của hin tượng quá độ 5 1.2.4.Hin tượng quá độ tiêu biểu 7 1.2.5.Bo v quá độ 8 1.2.6.Các thiết bị bo v quá áp 9 1.Bộ lọc 9 2.Máy biến áp cách ly 10 3.Khe hở phóng đin 11 4.Diode thác Silic 12 5.Biến trở Oxit kim loi (MOV) 13 1.2.7. So sánh các thiết bị bo v quá áp phổ biến 15 1.2.8.Lựa chọn các thiết bị bo v quá áp 16 1.3.Nhim vụ của đề tài 16 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào vii 1.4.Phm vi nghiên cứu 16 1.5.Các bước tiến hành 16 1.6.Điểm mới của luận văn 17 1.7.Giá trị thực tin của đề tài 17 1.8.Nội dung đề tài 18 Cu to và nguyên lý làm vic ca bin tr Oxit kim loi (MOV) 19 2.1.Cấu to cơ bn 19 2.1.1.Giới thiu 19 2.1.2. Cấu trúc vi mô 20 2.2.Tính năng hot động của biến trở Oxit kim loi (MOV) 23 2.3. Đặc tính V-I 27 2.4.Sơ đồ tương đương 29 2.4.1.Trong vùng dòng đin rò thấp <10 -4 A 30 2.4.2.Trong vùng hot động bình thường (10 -5 – 10 3 A) 31 2.4.3.Trong vùng dòng đin cao (>10 3 A) 32 2.5.Thời gian đáp ứng 32 2.6.Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình 33 2.6.1.Năng lượng cho phép 33 2.6.2. Công suất tiêu tán trung bình 35 2.7.nh hưởng của nhit độ 36 2.8. Các đặc tính của MOV và các hư hỏng thường gặp khi quá áp xy ra 38 Xây dng mô hình ngun phát xung 39 3.1.Các dng xung không chu kỳ chuẩn và phương trình toán của chúng 39 3.2.Xây dựng mô hình nguồn phát xung 42 Xây dng mô hình bin tr Oxit kim loi MOV 48 4.1.Mô hình MOV trong Matlab 48 4.2.Mô hình MOV h thế đề xuất 50 4.2.1.Khối look-up Table 53 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào viii 4.2.2.Xây dựng mô hình đin trở phi tuyến trên Matlab 53 4.2.3.Xây dựng mô hình MOV h thế hoàn chỉnh trên Matlab 55 4.3.Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với xung dòng chuẩn 59 4.4. Kết luận 64   u t   n hiu qu bo v ca thit b chng sét lan truyng ngun h áp 65 5.1. Phân vùng bo v 65 5.2. Tổng quan về các MOV h thế đang sử dụng để chế to thiết bị chống sét trên đường nguồn h áp 66 5.3. Các chỉ tiêu chính đánh giá thiết bị chống sét lan truyền 67 5.4. MOV đơn khối 68 5.4.1. Mô phỏng và đo lường đin áp dư (V r ) MOV đơn khối 68 5.5. MOV đa khối 79 5.5.1. H số dự trữ 79 5.5.2. Mô phỏng và đo lường đin áp ngưỡng MOV đa khối 91 5.6. Đánh giá ưu, nhược điểm của MOV đơn và đa khối chống sét lan truyền trên đường nguồn h áp 98 5.6.1. Về kh năng tn sét 98 5.6.2. Kh năng tn nhit 99 5.6.3. Kh năng chia tn các dòng sét 99 5.6.4. Kh năng hiển thị tuổi thọ của thiết bị 99 5.6.5. Kh năng dẫn dòng. 99 5.6.6. Độ dự trữ an toàn 100 5.6.7. Đin áp dư 100 5.6.8. Giá thành 100 . Kt lun ng nghiên cu phát trin 101 6.1. Kết luận 101 6.2. Hướng phát triển 102 TÀI LIU THAM KHO 103 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào ix DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bng 1.1: Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà 7 Bng 1.2: Các loại thiết bị bảo vệ quá áp quá độ 15 Bng 3.1: Bảng thông số các hệ số 42 Bng 4.1: Thông số cho trong Catalogue của 5 loại MOV hạ thế của Siemens 60 Bng 4.2: Điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế Siemens với xung dòng 8/20µs 61 Bng 4.3: Thông số cho trong Catalogue của 2 loại MOV hạ thế hãng AVX 62 Bng 4.4: Điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế AVX với xung dòng 8/20µs 64 Bng 5.1: Xung sét cực đại theo vùng bảo vệ và mật độ sét 66 Bng 5.2: Bảng tổng hợp kết quả điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế đơn khối khi mô phỏng với dòng xung 8/20µs với biên độ và điện áp ngưỡng khác nhau .70 Bng 5.3: Bảng tổng hợp phương trình liên hệ giữa điện áp dư (V r ) và điện áp ngưỡng (V n ) của MOV đơn khối 71 Bng 5.4: Bảng tổng hợp thông số điện áp dư và đặc tuyến vừa xây dựng so với Catalogue của nhà sản xuất và sai số 76 Bng 5.5: Bảng tổng kết hệ số dự trữ của MOV_8kA mắc song song 87 Bng 5.6: Bảng tổng hợp thông số điện áp dư khi tiến hành mô phỏng MOV đa khối trên Matlab 91 Bng 5.7: Bảng tổng hợp phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV đa khối 93 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Tỷ lệ xuất hiện của xung theo biên độ điện áp tại các khu vực không được bảo vệ . 6 Hình 1.2: Dạng sóng 0.5µs_100kHz (áp mạch hở) 7 Hình 1.3: Dạng sóng gián tiếp (phía ngoài) 7 Hình 1.4: Khả năng chịu đựng xung lặp lại 14 Hình 2.1: Đặc tuyến V/I của MOV trong vùng tuyến tính 19 Hình 2.2: Cấu tạo MOV 20 Hình 2.3: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I 21 Hình 2.4: Vi cấu trúc của Ceramic 22 Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO 23 Hình 2.6: Lưu đồ chế tạo biến trở MOV 24 Hình 2.7: Cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói 25 Hình 2.8: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp giữa hạt hạt ZnO-biên-hạt-ZnO 26 Hình 2.9: Quan hệ điện rào với điện áp đặt vào 27 Hình 2.10: Đặc tính V-I của MOV 28 Hình 2.11: Đặc tính R-V của MOV 29 Hình 2.12: Mô hình mạch tương đương của biến trở 30 Hình 2.13: Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dòng rò 30 Hình 2.14: Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng hoạt động bình thường 31 Hình 2.15: Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dòng điện cao 32 Hình 2.16: Đáp ứng của biển trở MOV xung tốc độ cao 33 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào xi Hình 2.17: Đáp ứng của biển trởtính đến điện cảm đầu dây nối đối với xung dòng điện 33 Hình 2.18: Dạng sóng thử nghiệm 2ms 34 Hình 2.19: Số lần xung có thể chịu đựng được của một loại MOV 35 Hình 2.20: Quan hệ công suất tiêu tán và điện áp (α = 10, 30, 50) 36 Hình 2.21: Đặc tính V-I của một MOV chuẩn theo nhiệt độ (vùng dòng rò) 36 Hình 2.22: Đặc tính V-I của một MOV chuẩn theo nhiệt độ (vùng dòng cao) 37 Hình 2.23: Hình ảnh hiển vi của sự đánh thủng gây nóng chảy tại cạnh của điện cực (ảnh trên) và từ đỉnh của điện cực (bên dưới) 38 Hình 3.1: Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn 39 Hình 3.2: Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần 40 Hình 3.3: Đường cong xác định b/a từ tỷ số t 2 /t 1 40 Hình 3.4: Đường cong xác định at 1 từ tỷ số b/a, khi biết t 1 41 Hình 3.5: Đường cong xác định I 1 /I từ tỷ số b/a, khi biết I 1 41 Hình 3.6: Mô hình toán của xung dòng 43 Hình 3.7a: Nguồn xung dòng không chu kỳ 43 Hình 3.7b: Nguồn xung áp không chu kỳ 43 Hình 3.8: Mô hình nguồn xung dòng và áp không chu kỳ 44 Hình 3.9a: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng 44 Hình 3.9b: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp 44 Hình 3.10: Thông số mô hình nguồn xung dòng 45 Hình 3.11: Dạng dòng xung 1/5µs_10kA 45 Hình 3.12: Dạng dòng xung 4/10µs_10kA 45 Hình 3.13: Dạng dòng xung 8/20µs_10kA 45 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào xii Hình 3.14: Dạng dòng xung 10/350µs_10kA 46 Hình 3.15: Thông số mô hình nguồn xung áp 46 Hình 3.16: Dạng xung áp 1.2/50µs_10kV 47 Hình 3.17: Dạng xung áp 10/700µs_10kV 47 Hình 4.1: Quan hệdòng điện – điện áp của mô hình MOV 48 Hình 4.2: Hộp thoại của mô hình MOV trong Matlab 49 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý của mô hình 50 Hình 4.4: Sơ đồ mạch tương đương của mô hình MOV đề nghị 51 Hình 4.5: Đặc tính V-I của MOV có sai số TOL = ±10% 52 Hình 4.6: Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V=f(I) của MOV 53 Hình 4.7: Mô hình MOV hạ thế 55 Hình 4.8: Biểu tượng mô hình MOV hạ thế 56 Hình 4.9: Hộp thoại khai báo biến Parameters của mô hình MOV hạ thế 57 Hình 4.10: Hộp thoại Initialization của mô hình MOV hạ thế 58 Hình 4.11: Thông báo lỗi của mô hình MOV hạ thế 58 Hình 4.12: Hộp thoại thông số của mô hình MOV hạ thế 59 Hình 4.13: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV hạ thế đề nghị 59 Hình 4.14: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV B40K275 (hãng Siemens) với xung 3kA 8/20  s. 60 Hình 4.15: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV B40K275 (hãng Siemens) với xung 20kA 8/20  s 61 Hình 4.16: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV VE14M02750K (hãng AVX) với xung 2kA 8/20  s 63 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào xiii Hình 4.17: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV VE14M02750K (hãng AVX) với xung 3kA 8/20  s 63 Hình 5.1: Các dạng xung sét tiêu chuẩn 65 Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng MOV hạ thế đơn khối 68 Hình 5.3: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối I n = 4.5kA (TOL = 10%) với xung thử 1.5kA 8/20µs 69 Hình 5.4: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối I n = 4.5kA (TOL = 10%) với xung thử 3kA 8/20µs 69 Hình 5.5: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối I n = 4.5kA (TOL = 10%) với xung thử 4.5kA 8/20µs 70 Hình 5.6: Đặc tính V r -V n của MOV hạ thế đơn khối 4.5kA, TOL = 10% . 73 Hình 5.7: Đặc tính V r -V n của MOV hạ thế đơn khối 8kA, TOL = 10%. 73 Hình 5.8: Đặc tính V r -V n của MOV hạ thế đơn khối 25kA, TOL = 10%. 74 Hình 5.9: Đặc tính V r -V n của MOV hạ thế đơn khối 40kA, TOL = 10%. 74 Hình 5.10: Đặc tính V r -V n của MOV hạ thế đơn khối 70kA, TOL = 10%. 75 Hình 5.11: Đặc tính V r -V n của MOV hạ thế đơn khối 100kA, TOL = 10%. 75 Hình 5.12: Mạch điện phân tích của những MOV hoạt động song song 80 Hình 5.13: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của hai MOV hạ thế 8kA 83 Hình 5.14: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 5% & -5%) với xung 10kA 8/20µs 83 Hình 5.15: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 5% & -5%) với xung 10kA 8/20µs 84 Hình 5.16: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 6%& -6%) với xung 10kA 8/20µs 84 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào xiv Hình 5.17: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 6%& -6%) với xung 10kA 8/20µs 84 Hình 5.18: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 7%& -7%) với xung 10kA 8/20µs 85 Hình 5.19: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 7%& -7%) với xung 10kA 8/20µs 85 Hình 5.20: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 8%& -8%) với xung 10kA 8/20µs 85 Hình 5.21: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 8%& -8%) với xung 10kA 8/20µs 86 Hình 5.22: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 9%& -9%) với xung 10kA 8/20µs 86 Hình 5.23: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 9%& -9%) với xung 10kA 8/20µs 86 Hình 5.24: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 10%& -10%) với xung 10kA 8/20µs 87 Hình 5.25: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 10%& - 10%) với xung 10kA 8/20µs 87 Hình 5.26: Quan hệ giữa sai số điện áp ngưỡng và hệ số dự trữ với xung thử có biên độ 10, 15, 20, 25, 40kA 90 Hình 5.27: Quan hệ giữa sai số điện áp ngưỡng và hệ số dự trữ với xung thử có biên độ 70, 100kA 91 Hình 5.28: Đặc tính V r -V n của MOV đa khối 10kA (2xMOV-8kA) 95 Hình 5.29: Đặc tính V r -V n của MOV đa khối 15kA (4xMOV-8kA) 95 Hình 5.30: Đặc tính V r -V n của MOV đa khối 20kA (5xMOV-8kA) 96 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh HVTH: Dương Anh Hào xv Hình 5.31: Đặc tính V r -V n của MOV đa khối 25kA (7xMOV-8kA) 96 Hình 5.32: Đặc tính V r -V n của MOV đa khối 40kA (12xMOV-8kA) 97 Hình 5.33: Đặc tính V r -V n của MOV đa khối 70kA (23xMOV-8kA) 97 Hình 5.34: Đặc tính V r -V n của MOV đa khối 100kA (32xMOV-8kA) 98 [...]... dụng trong các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ trong hệ thống hạ áp chính Nhưng nhìn chung, các kỹ thuật này có thể chia thành 2 nhóm chính: a Kỹ thuật làm suy giảm quá độ, từ đó có thể ngăn chặn sự lan truyền của chúng trong mạch điện nhạy cảm b Kỹ thuật làm chệch hướng quá độ khỏi các thiết bị tải điện nhạy cảm và từ đó giới hạn điện áp dư Kỹ thuật làm suy giảm quá độ chính là ngăn chặn sự lan truyền quá. .. các đại lượng sau:  Điện áp hiệu dụng cực đại của hệ thống  Chế độ bảo vệ của thiết bị bảo vệ quá áp  Thiết bị bảo vệ quá áp có điện áp lớn hơn 10%-25% điện áp hệ thống  Năng lượng quá độ trường hợp xấu nhất mà thiết bị bảo vệ quá áp phải hấp thu (Sử dụng hướng dẫn trong ANSI/IEEE C62.41-1980)  Điện áp kẹp yêu cầu để bảo vệ hệ thống HVTH: Dương Anh Hào Trang 14 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền... hệ thống bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền 1.2 Tổng quan về các thiết bị b o v quá áp trên đ ờng nguồn h áp Bảo vệ hệ thống điện xoay chiều hạ áp chống lại các hiện tượng quá áp quá độ đang là mối quan tâm chủ yếu để bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp, bảo đảm an toàn cho các thiết bị Hiện nay các thiết bị điện- điện tử có mức điện áp chịu xung HVTH: Dương Anh Hào Trang 2 Luận văn thạc sĩ GVHD:... xoay chiều hạ áp trong nhà Khi quyết định chọn loại thiết bị như là bộ bảo vệ quá áp quá độ, bảng này chính là tài liệu tham khảo Ít nhất là thiết bị HVTH: Dương Anh Hào Trang 6 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh bảo vệ phải áp ứng điều kiện trong mục A, còn tốt nhất là thiết bị phải vượt qua được các quá độ xuất hiện trong mục B B ng 1.1 Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà... cao, xung trở kháng thấp Cách xa nguồn quá độ, tại vị trí thiết bị bảo vệ được đặt, năng lượng quá độ sẽ giải phóng qua trở kháng của dây dẫn và nhiều thiết bị sẽ được bảo vệ hơn Vì thế, cho phép nhiều bộ bảo vệ quá áp kích cỡ khác nhau được sử dụng tại các vị trí khác nhau trong hệ thống 1.2.4 Hi n t ng quá độ tiêu biểu Bảng 1.1 trình bày điện áp và dòng điện xung được cho là điển hình của quá độ trong. .. cảm, xung điện từ hay phóng điện các điện cực Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá độ phụ thuộc vào tần số xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng sóng của quá độ Quá áp trong mạch điện chính xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh viễn hay tạm thời của các phần tử điện tử và hệ thống Bảo vệ chống lại quá áp quá độ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà sẽ giới hạn biên độ. .. Dạng sóng 0.5  s_100kHz (áp mạch hở) a Dạng sóng mạch hở b Dạng sóng dòng phóng điện Hình 1.3 Dạng sóng gián tiếp (phía ngoài) HVTH: Dương Anh Hào Trang 7 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1.2.5 B o v quá độ Các phần trên đã trình bày sự cần thiết của các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ trong thiết kế thiết bị điện trong hệ thống, phần tiếp theo là phải chọn kỹ thuật bảo vệ loại nào và cách sử... liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường HVTH: Dương Anh Hào Trang 15 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 1.4 Ph m vi nghiên cứu  Nghiên cứu cấu tạo và tính năng thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp  Mô hình hoá và mô phỏng thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp  Mô phỏng... 16 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường 1.6 Điểm mới của luận văn  Tính toán hệ số dự trữ, xây dựng đặc tuyến liên hệ của hệ số dự trữ theo sai số điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV hạ thế mắc song song  Xây dựng phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp. .. Các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ được chọn phải có khả năng triệt xung quá áp đến dưới mức ngưỡng hư hỏng của thiết bị được bảo vệ, và các thiết bị bảo vệ này phải vượt qua một số xác định các trường hợp quá độ nguy hiểm nhất Khi so sánh các thiết bị khác nhau, quyết định đưa ra phải căn cứ trên các đặc điểm: mức độ bảo vệ yêu cầu, tuổi thọ, giá thành và kích cỡ thiết bị Có một số kỹ thuật khác nhau . 1.1 trình bày điện áp và dòng điện xung được cho là điển hình của quá độ trong hệ thống xoay chiều hạ áp trong nhà. Khi quyết định chọn loại thiết bị như là bộ bảo vệ quá áp quá độ, bảng này. xuất hiện trong mục B.  Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà. Nghiên cứu trong mạng điện hạ áp trong nhà phát hiện rằng quá độ bắt gặp trong mục A (mạch nhánh dài và. đặc điểm: mức độ bảo vệ yêu cầu, tuổi thọ, giá thành và kích cỡ thiết bị. Có một số kỹ thuật khác nhau có thể sử dụng trong các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ trong hệ thống hạ áp chính. Nhưng