Tối ưu hóa vị trí đặt chống sét van bảo vệ máy biến áp phân phối

10 Bang 2.2 Độ gia tăng điện áp pha — đất TOV trên pha không bị sự cố đối với các cấu hình khác nhau của lưới điện...-- ---+s++++srerretertrrerersererrrrrrtrirrirrrrrre 17 Bảng 3.1 Điệ

NGUYEN TRI LAM

TOL UU HÓA VỊ TRÍ ĐẶT CHONG SET VAN

BAO VE MAY BIEN AP PHAN PHOI

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã ngành: 60520202

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS QUYEN HUY ANH

HUTECH LIBRARY 4- 63$%0

TP HCM, tháng .01/2015

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Quyền Huy im AE

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM

ngày 21 thang?4 nam 2015

Thanh phan Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, hoc ham, hoc vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT Họ và tên Chức danh Hội đồng

1 | PGS TS Phan Thi Thanh Binh Chủ tịch

2 | GS TS Lé Kim Hing Phan bién 1

3 | PGS TS V6 Ngoc Diéu Phan bién 2

4 | PGS TS Duong Hoai Nghia Uy vién

5 | TS Huynh Châu Duy Uy vién, Thu ky

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Trí Lâm - Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12-07-1968 -.reirrrerrre Nơi sinh TP HCM

Chuyên ngành: .Kỹ Thuật Điện -snnrrersrrrr MSHV: 1341830018

I- Tên đề tài:

TÓI ƯU HÓA VỊ TRÍ ĐẶT CHÓNG SÉT VAN BAO VE TRAM BIEN AP PHAN

PHO!

II- Nhiệm vụ và nội dung:

Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc, tính năng kỹ thuật và ưu nhược điểm

của chống sét van

Tổng quan về các phương pháp xác định vị trí đặt thiết bị chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối trước đây

Nghiên cứu phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt thiết bị chống sét van bảo

vệ trạm biến áp phân phối

Áp dụng phương pháp cải tiến để tính toán vị trí đặt chống sét van trong trạm

biến áp

Nghiên cứu Phương pháp xác định thời gian trung bình giữa các lần hư hông

(MTBF) cua may biến áp

HT- Ngày giao nhiệm vu:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05-01-2015

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh

_ Quyền Huy Ánh

công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn

gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Trí Lâm

LOI CAM ON

Trước tiên Tôi xin chân thành cảm ơn Cha, Mẹ đã sinh thành ra tôi nuôi Tôi khôn

lớn và dạy dỗ Tôi thành người

Xin Chân Thành Cảm ơn Ban Giám Hiệu, Quý Thầy Cô Khoa Cơ - Điện - Điện

Tử, Khoa Ngoại Ngữ Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phế Hồ Chí Minh đã truyền thụ, bỗ sung kiến thức giúp Tôi có cơ sở đề hoàn thành luận văn này

Xin Chân Thành Cảm ơn Thầy PGS.TS Quyền Huy Ánh người đã tận tình hướng

dẫn, giúp đỡ Tôi Hoàn Thành Luận văn

Sau hết xin Chân Thành Cảm ơn Quý Thầy Cô Phòng Quản lý Khoa học — Đào tạo sau Đại Học Trường ĐH Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, Bạn bè thân hữu lớp

13SMDII đã đồng hành cùng Tôi, giúp đỡ Tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn

TP Hé Chi Minh Ngay@s thang 21 nam 2015

A

Nguyễn Trí Lâm

TÓM TẮT

Để bảo vệ sét đánh lan truyền vào trạm biến áp phân phối, phía cao thế của trạm

thường sử dụng chống sét van Trong lắp đặt thiết bị chống sét van, khoảng cách giữa thiết

bị chống sét van và đầu cực cao thế của máy biến áp là hết sức quan trọng Nếu chống sét

van đặt tại đầu cực máy biến áp thì máy biến áp được bảo vệ an toàn nhất, nhưng chỗng sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ cách điện của trạm, cho nên trong trường hợp tổng quát

giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách Vì vậy,

việc xác định khoảng cách phân cách hợp lý nhằm bảo vệ hiệu quả máy biến áp và các

thiết bị đóng cắt trong trạm là rất cần thiết

Luận văn này đã đề xuất:

© Phương pháp mới để tính khoảng cách phân cách ở trạm có cấu hình khác nhau

(như trạm có một máy và trạm có hai máy biến áp) có xét đến các yêu tố ảnh hưởng

như: hệ số che chắn của vật thể, mật độ sét khu vực, giá trị điện cảm của dây nối

hai đầu chống sét van

e_ Phương pháp xác định thời gian trung bình giữa các lần hư hỏng (MTBF) của máy

biến áp ở trạm có cấu hình một máy Đồng thời xây dựng được 6 đường đặc tuyến

quan hệ giữa MTBF, hệ số che chăn và mật độ sét khu vực nhằm kiểm tra giá trị

MTBE đếi với cấu hình trạm có sẵn (trạm treo, trạm giàn, trạm nền) sao cho đảm

bảo tuổi thọ máy biến áp theo yêu cầu định trước

e Xây dựng được 16 đường đặc tuyến quan hệ giữa chiều cao vật thể che chắn,

khoảng cách từ đường dây đến vật thể che chắn và hệ số che chắn đối với đường

dây phân phối nhằm tạo điều kiện xác định hợp lý khoảng cách phân cách bằng tay

hay tự động

e© Chương trình OLOSA được xây dựng giúp người sử dụng dễ dàng xác định vị trí

lắp đặt hợp lý chống sét van và kiểm tra MTBF đối với cấu hình trạm có sẵn

Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ giúp cho các công fy tư vấn thiết kế điện, các

công ty điện lực xác định vị trí lắp đặt chống sét van hợp lý khi thiết kế trạm biến áp mới hay kiểm tra giá trị MTBF của các trạm biến áp có sẵn nhằm đề xuất phương án

thay đổi vị trí lắp đặt chống sét van nếu cần thiết trong khi có xem xét đến mật độ sét

khu vực và các yếu tố ảnh hưởng.

ABSTRACT

To protect the distribution substafion from lightning overvoltage, the lightning arrester is installed at the high voltage side of transformers In installation of surge arresters, the separation length between the arrester and the high voltage terminals of transformers is very importance If the lightning arrester is installed at the terminals of transformers, the transformer will be protected safety However, lightning arrester must to protect for all insulation of the substation’s components, so that, in general case between lightning arrester and the terminals transformer is needed a separation distance Thus, the determination of reasonable distance between lightning arrester and terminals transformer

to protect efficiency the transformer and switching devices of the substation is very necessary The thesis has presented:

- A new method for calculating the separated distance with different configuration of substations (such as substation with one or two transformers) The affected factors such as the shielding factor of the object, areas ground flash density, the inductance value of connected wires are considered

- Method for determining the Mean Time Between Failure (MTBF) of transformer station

At the same time, six the relationship characteristics between MTBF, shielding factor and

areas ground flash density are established These relationship characteristics are used to check MTBF for the existing configuration of substation (pole mounted substation, platforms station, background substation) to make sure that the life of transformer according to first demand

- Construct 16 relationship characteristics between shielding object height, distance from the line to shielding object and shielding factor for distribution line to easily determine the reasonable separation distance manually or automatically

- The OLOSA program is built to help the users easily determine the appropriate installed position of lightning arrester and check MTBF of substation for the existing configuration

- The research results of the thesis will help the electrical consultancy and design

companies, the power company determine the appropriate installed position of lightning arrester when installing a new substation or check MTBF of the substation with existing configuration under the areas ground flash density and the affected factors.

CHƯƠNG 1: CHUGNG MG DAU coceescsccesssesssssssscsseesecsnecacencensnensenseneesnansanacessearenses 1 LoL Dat VAI Ss cece ceccsssseseccssssseecesensesesesssneecensssnsenesanmssessnssssecesannnscsananresscconsnsstas 1

1.2 Tinh cép thiét ctha 48 tis occ ecesccsesssseneeeeceensunnressceeessnensessenessnanensscsenennnneess 1

1.3 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 1.3.1 Mục tiêu của để tài: csccccscecrrrrrrtrrirrirtirirrrrriirrrrriirrrrrmirid 3 1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - -«rereerrrrrrrrrrtirrrrtrrrrree 3

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu -. +srsrrerrererrtretrrtrrrrtettrrrtertrrrrrrere 3

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu -:-©55+ztterrtettettrttttritrrrrriee 3

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới : -+seerererrrirrtrrrtrtrrerrrrre 3

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nưỚC -: e-rsrcersererrtrrtertrtrtertrsrrerre 4

1.5 NOL DUNG CỦA LUẬN VĂN . cccrerrrrrrrrrrrrtrrtrtrrrrrrrrrrrrrrrte 4

06/95 <e T111 5

KHAI QUAT VE CHONG SET VAN . cscserreerrrrrtrtrrrrrrrrrrrrrrrin 5 2.1 Giới thiệu tổng quan về chong Sét ee.sssssssssesecceesesnneeessesessssnneesennnssnnnenerenseney 5

2.2 Khái niệm về hiện tượng sét và tình hình đông sét ở Việt Nam 8

2.3 Một số thuật ngữ cơ bản -cscsccccnrrttrrirrrrrtrriirtrriiiirrriirrrnirriie 10

2.4 Thiết bị chống sét van MOV không khe hở ‹-+serserererrrrrtreerrte 19 2.5 Lựa chọn thiết bị chỗng sét van theo thông số hệ thống -++ 20

2.6 Tổng kết chương L - + ttnhhhtrrririrrrirrrrrirtrtrrirrrtriie 23

CHUONG 3 :XAC DINH VI TRi LAP DAT CHONG SET VAN BAO VE MAY

BIEN AP PHAN PHOI THEO CÁC PHƯƠNG PHÁP TRƯỚC ĐÂY 24

3.1 Phương pháp Petersen [2] . -sseterrerrerrtrtrtrrrrdrerrrrrtrrrrrertrrrrrrre 24 3.2 Phương pháp D.Eulchiron [7] . -s-trrserereererrrtrtertetrretrrtrrtrrrrrrrer 24 3.3 Phương pháp Benọt de Metz-Noblat [8] : -: crereerrerrrrrrrerrrrrree 25

3.4 Phương pháp ABB [9] -c-cccrrtrririrrrerrrrtrrrrrrrrrriririirrrrrrrrrirriee 28

3.4.1 Trạm biến áp kết nối với đường dây trên khơng .- -+ - 29

3.4.2 Trạm biến áp kết nối với cáp ngầm c-trtrteertrrriirrrrrrr 30

3.5 Phương pháp J R Lueas [1, 10] . -:-+ +-++rerrerrerrtertrtrttrrtrttrrrrree 34

3.5.1 Phương pháp đơn giản c -esrerrrrrrrrerrrirtrtrrtrrrrrrrrrrrrrrre 34

3.5.2 Phương pháp cải tiến cccsccerrrrtrrririrrrrrrrriiiirrrrriririeirrtrrie 36

3.6 Tổng kết chương 3 ccc-cc+ertttrrrttrrrrttrrrirrtrrrrriiiiitrrrrtrrtrrrrtr 38

CHƯƠNG 4 : XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐẶT CHĨNG SÉT VAN BẢO VỆ MAY BIEN

AP PHAN PHOI THEO PHUONG PHAP CẢI TIỀN . - 39

4.1 Phương pháp xác định vị trí chống sét van theo tiêu chuan IEEE Std

62.22.2009 [11] cseceesesscssecssscsssssecsecccrecessesecesecennnnneeneecensenevonsesonsosananasanannnnnnnneneaty 39

4.1.1 Trạm một đường dây và một máy biến áp eeeeeerrriee 39 4.1.2 Trạm ba đường đây và hai máy biến áp -.-serrrrrrerrrrrrrree 41

4.2 Phương pháp cải tiễn xác định vị trí đặt chống sét van cc-ceeee 43

4.2.1 Yếu tế che chắn : +©5< + seo 3934281211121, 43

4.2.2 Số lần sét đánh vào đường dây phân phối -+eeterrrrrrree 51

4.2.3 Giá trị điện cảm của dây nối ở hai đầu chống sét van . - 51

4.2.4 Phương pháp cải tiến xác định vị trí chống sét van bao vệ trạm biến áp 52

4.2.5 Áp dụng tính tốn minh họa 55 c+ststetteterrtrtretrtrstrtrrrrrrrre 52 4.3 Kiểm tra MTBE của trạm cĩ cấu hình và vị tri dat chống sét van định trước 62

4.3.1 Phương pháp kiểm tra MTBE đối với trạm cấu hình một máy biến áp .62 4.3.2 Áp dụng phương pháp kiểm tra MTBF đối với các trạm thực tễ 63 4.4 Tổng kết chương 4 -:©52c2vvvvrrrrrrrrrtrrtrrrrrrrtrtrrrrrrrrrrirrien 71 CHƯƠNG 5 : XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN 72

VÀ MỘT SỐ TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG -cccrerrrrrrrrrttrrrrrrrrrrrre 72

5.1 Giới thiệu chương trình tính toán (OLOSA) TÓI UU HÓA VỊ TRÍ ĐẶT CHÓNG SÉT VAN BẢO VỆ TRẠM BIÉN ÁP PHÂN PHÓI 72

5.1.1 Chức năng của chương trình -rsereertrrrterrtrerrrrrrrirrrrtrrtrrr 72

5.1.2 Các thông số đầu vào và kết quả tính toán của chương trình 72

5.2 Giải thuật tính toán vị trí chống sét van đối với các cầu hình trạm 75

5.3 Chương trình tính toán Matlab -reerrrrrrrrrerrerrtrrrrrrtrtrrrrrrer 76

5.4 Một số bài toán ứng dụng -ccc2c++tttrttttttrrrirrrirrrrrrrrririiirrrrriii 76

5.4.1 Xác định vị trí tối ưu chống sét van cho các cấu hình trạm biến 4p 76

5.4.2 Kiểm tra MTBE của máy biến áp ở trạm biến áp treo khu vực Tp.HCM?6

5.6 Tổng kết chương 5: . -c222ttnnirrerttrrrrrttrriiiirrrrrrrrrtrrrrrrrrrriiin 81 l)508/9)/61 45089/) 0075 a 82 6.1 Một số kết luận của đề tài - cc-csrrrreerrtrrrrirrrrrrrrrrrrrrrrrrirrirrrin 82 6.2 Hurdng phat trién dé tai escsscsccssssessnnneseeseseesesssnnnnnssssseeeenenerssssnusnsssess 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 2252: S252vrrrtertrttttrtriirrirrritrrrriiirirrrrrirrre 83

DANH MUC CAC TU VIET TAT

: American National Standards Institute

: International Electrotechnical Commission

: Institute of Electrical and Electronics Engineers

: Metal Oxide Varistor

: Maximum Rated Continous Operating Voltage : Chopped Wave Withstand

: Mean Time Between Failures

: Basic Insulation Level

: Front Of Wave

: Continuous Operating Voltage

: Temporary Over Voltage

: Root Mean Squared Errors

: Sum of Squares Error

DANH MUC CAC BANG

Bang 2.1 Cường độ dông sét tại các l0 1 10

Bang 2.2 Độ gia tăng điện áp pha — đất (TOV) trên pha không bị sự cố đối với các

cấu hình khác nhau của lưới điện -+s++++srerretertrrerersererrrrrrtrirrirrrrrre 17 Bảng 3.1 Điện áp cực đại trên máy biến áp được bảo vệ bằng chống sét van 27 Bang 3.2 Mức cách điện cơ bản (BIL) và mức điện áp bảo vệ của chống sét van

(Up) hiện đại với U; = 4.pu ccceerreeeereerrrrererdrrerrrrrrdrrrrrrdrrrrr 30

Bảng 3.3 Độ dốc và giá trị điện áp phóng điện của cách điện đường dây trên không 30

Bảng 3.4 Chiều dài cho phép lớn nhất D, của đoạn cáp với một bên là thiết bị bảo

vệ chống Sét ccnernhrHrtHtrrrrrrriei.trtrrtrttrrrrirrritrttrrttlinttrrrtrrrrrerretrir 32

Bang 3.5 Khoảng cách phân cách tối đa cho phép chống sét giữa cáp và máy biến

áp ở Hình 2.8 với b = 0 Hai chống sét van nối hai đầu cáp, tại MBA không có

chống sét Va - 5-2232 2 tt 1112272700.001011.1n1110111n00nnnpe 33

Bảng 4.1 Số đường dây tính toán cho từng trường hợp đường dây bị sét đánh và

máy biến áp được xem xét -:c+++++trrrrrrrttrrrrrrirrrrrrrrtriiiirirrrrrirrrrrrrririr 42

Bảng 4.2 Nhập dữ liệu cho hai biến DO và S;ứng với trường hợp H = 10 m 46

Bang 4.3 Phương trình hệ số che chắn của 16 quan hệ giữa S5; DO và H 50

Bảng 4.4 Kết quả tính toán khoảng cách phân cách đối với trạm một máy biến áp

khi chưa che chắn và có che chắn . -cc+xe+crsrrtrrrtrrtrrriirrrrirrrrrrrrrrriirtr 53

Bảng 4.5 Kết quả tính toán khoảng cách phân cách đối với trạm hai máy biến áp khi chưa che chắn (S¿= 0) -©cc+ccSe+22tttrrtttrrrrtrrrrrriirrirrirriirriri 60 Bảng 4.6 Kết quả tính toán khoảng cách phân cách đối với trạm hai máy biến áp khi

có che chắn (S¿= 0,332 ), -cc -cccccecserrrrrtrrrrtirrtrrrrirrrririrrrrriiiirrririirrrrrrri 62

Bảng 4.7 Giá trị MTBE của trạm biến áp treo theo Nụ ứng với S; = 1797 kV/Ms 66 Bảng4.8 Giá trị MTBE của trạm biến áp giàn theo N, ứng với S; = 1399 kV/[s 67 Bảng 4.9 Giá trị MTBF cua tram biến áp nền theo N, ứng với S„ = 1502 kV/ls 68

Bang 4.10 Phương trình quan hệ giữa MTBE, Š ;và N, của 3 loại trạm 70

Hình 1.1: Cấu tạo chống sét Van - c5 csrrttrtrerrtrtrirrierrreiirririrrirrtrrtrneirer 7

Hình 2.2 Hệ số quá áp T = TOV/U, quan hệ với quá áp tạm thời 15

Hình 2.3 Khả năng quá áp tam thoi cia CSV McGraw - Edison VariSTAR /118-720.8nn077 aaana 1ó Hinh 2.4 Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van MOV .+~cce+ 19 Hình 3.1 Sơ đồ bảo vệ trạm đề xét dòng qua chống sét van . - 24

Hình 3.2 Sơ đồ báo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách . - 25

Hình 3.4 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) dùng trong nghiên cứu truyền sóng quá điện áp sét_ -rrrrrrrerterrtrrtrrtrrrrtrrtrrrrrtrltrrrrrrrrrrrrrrtr 26 Hình 3.5 Sóng tới và sóng phản xạ khi trạm biến áp có chống sét van 28

Hình 3.6: Đặt chống sét van theo ABB -ccscerierrrrirrrrrirerrrrrrrrerre 29 Hình 3.7 đường dây phân phối trên không -+:-cnreeerrrrrrrirrrrrrirrirrrrriie 29 Hình 3.8 Trạm biến áp được kết nối với cáp ngầm . .e errrrrrrrrtrrrrre 33 Hinh 3.9: Bảo vệ chống sét van đối với một máy biến áp -csccssrrerrrer 34 Hình 4.1 Trạm một đường dây và một máy biến áp -csreeeeertrrree 39 Hình 4.2 Trạm ba đường day va hai máy biến áp -ssrcrerrrrrerrrrrrrre 41 Hình 4.3 6 đặc tuyến quan hệ giữa S; DO và H .-c serieeerrrrrrie 44 Hình 4.4 Đồ thị y = S/(DO) -ccccccrrrirtrrrrrrerrrrrrrirrrrriirrrirrrrrrrrirrre 48 Hình 4.5 16 đặc tuyến quan hệ giữa Sf, DO và HH .- -screeeeeerrrrrrrerre 49 Hình 4.7 Đường dây C bị loại bỏ khi sét đánh vao dung day A va MBA T, 57

Hình 4.6 Sét đánh vào đường dây A và xem xét máy biến áp TỊ . 57

Hình 4.8 Sét đánh vào đường dây C và xem xét máy biến áp TỊ - -.- 58

Hình 4.9 Đồ thị biéu dién quan hé gitta MTBF, S; va N, cua tram biến áp treo 67

Hình 4.10 Đề thị biễu diễn quan hệ giữa MTBE, S; và Nụ của trạm biến áp giàn 68

Hình 4.11 Đồ thị biễu diễn quan hệ giữa MTBE, S; và N; của trạm biến áp nền 69

Hình 4.12 Đồ thị biễu diễn quan hệ giữa MTBE, S¿ và Nụ của ba trạm biến áp 70

Hình 5.1: Giải thuật tính toán vị trí chống -cccsecsrrereeerierrrrrrrrrrrirrrren 75

Hình 5.2 Giao diện chính . -: 2-+++r+ttertxstrtttrrrrttrrrttrrrrrtrrrrrririrrrirrrrrr 71

Hình 5.3 Giao diện đối với hai loại cấu hình . -cscrxstrrrirrrrrrrrierrriire 78 Hình 5.4 Giao diện tính toán đối với cấu hình trạm một máy biến áp 79

Hình 5.5 Giao diện tính toán đối với cấu hình trạm hai máy biến áp 80

Hình 5.6 Giao diện kiểm tra MTBEF đối với cấu hình trạm một máy biến áp 80

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay năng lượng điện là nhu cầu thiết yếu với sản

xuất phát triển kinh tế và đời sống văn minh xã hội Cung cấp điện liên tục cho hộ

tiêu thụ với sự đảm bảo về chất lượng điện (tần số, điện áp vv ) là tiêu chí quyết

định trong thị trường cạnh tranh ngày nay Nếu để xảy ra sự cố có thể làm thiệt hại

về kinh tế, mắt ổn định an ninh năng lượng và gây khó khăn cho đời sống sinh hoạt

của cộng đồng xã hội Những sự cế có thể đo con người gây ra hoặc do hiện tượng

tự nhiên gây ra cũng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện n dng, điển hình là hiện

Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyền giữa các đám mây và đất hay

giữa các đám mây mang các điện tích khác dấu Số lần và cường độ sét đánh thường

được xác định theo quy luật xác suất và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố Bên cạnh

đó, hầu hết các công trình điện gồm đường dây và trạm biến áp đều được xây dựng

ngoài trời, kết cấu chủ yếu là kim loại và có chiều cao lớn, là một trong những

nguyên nhân làm tăng nguy cơ tiềm tàng gây ra sự cố rủi ro thiệt hại do sét Sét

đánh vào đường dây làm vỡ sứ và đứt dây, đồng thời lan truyền vào trạm biến áp

Việc xác định chính xác khu vực sẽ bị sét đánh là rất khó và không thé dam

bảo xác suất 100% hướng đi của sét đến hệ thống chống sét, và trên thực tế, do

nguồn kinh phí giới hạn nên cũng không thể lắp đặt thiết bị chống sét ở tất cả mọi

điểm theo dự đoán Vì vậy, việc nghiên cứu để lựa chọn, áp dụng những biện pháp

hạn chế tác hại của sét đối với từng khu vực, từng đối tượng cụ thể sao cho đảm bảo

cả về kinh tế và kỹ thuật là rất cần thiết không chỉ đối với riêng ngành điện, mà còn đối với nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác

Trong thực tế, máy biến áp phân phối thường được bảo vệ bằng thiết bị chống sét van Trong đó, khoảng cách giữa thiết bị chống sét van và đầu cực cao thế

của máy biến áp là hết sức quan trọng Do chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn

bộ cách điện của trạm, vì vậy trong trường hợp tổng quát này giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách

Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “TÓI ƯU HÓA VỊ TRÍ ĐẶT

CHỒNG SÉT VAN BẢO VỆ MÁY BIỀN ÁP PHÂN PHÓI” đi sâu vào nghiên cứu

tính toán và xây dựng chương trình để xác định vị trí đặt chống sét van dạng MOV

bảo vệ máy biến áp phân phối cho nhiều loại câu hình trạm biến áp khác nhau

Hình 1.2: Chống sét Van

điểm của chống sét van;

e Tổng quan về các phương pháp bảo vệ máy biến áp mạng phân phối;

e Nghiên cứu phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt thiết bị chống sét van

hợp lý bảo vệ máy biến áp trong mạng phân phối;

e Áp dụng phương pháp cải tiến để tính toán vị trí đặt chống sét van hợp lý

trong trạm biến áp

1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

e Các phương pháp bảo vệ quá áp do sét đối với máy biến áp phân phối và đề

xuất phương pháp cải tiến

e Áp dụng phương pháp cải tiến tính toán vị trí đặt chống sét van trong trạm

biến áp phân phối

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

e Thu thập các tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài;

se Nghiên cứu câu tạo và nguyên lý làm việc của chống sét van kiểu biến trở ôxít kim loại (MOV);

e Nghiên cứu các tiêu chuẩn lựa chọn chống sét trên lưới trung thế;

e Nghiên cứu phương pháp cải tiến xác định vị trí đặt thiết bị chống sét van bảo vệ máy biến áp trong mạng phân phối;

® Nghiên cứu phần mềm Matlab;

e Xây dựng chương trình hổ trợ người sử dụng xác định vị trí đặt chống sét

van trạm biến áp phân phối;

e Đánh giá và kết luận;

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thể giới

Các phương pháp xác định vị trí chống sét vanbao3 vệ máy biến áp phân phối bao gồm

Phương pháp ABB;

> Phương pháp J R Lucas

VV

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

> Xác định vị trí chống sét van trên cơ sở giảm rủi ro hu hong, Quyền Huy

Ảnh và các tác giả khác, Tạp chí Giáo dục Kỹ thuật, ISSN 1859-1272, ĐHSPKT Tp HCM 19/2011

> Neghién cứu hiệu quả bảo vệ máy biến áp của thiết bị chống sét van có xét

đến các yếu tố ảnh hưởng, Quyền Huy Ánh và các tác giả khác, Tạp chí Phát Triển

Khoa Học & Công Nghệ, ISSN 1859-0128, Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh,

8/2009

> M6 hinh xung sét cải tiến và quá áp do sét đánh trực tiếp vào đường dây

phân phối trung áp, Quyền Huy Ánh, Lê Hữu Chí-Tạp chí Phát Triển Khoa Học & Công Nghệ, ISSN 1859-0128, Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh 3/2007

1.5 NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

Chương 01: Khái quát về chống sét van

Chương 02: Xác định vị trí lắp đặt chống sét van bảo vệ máy biến áp phân phối

theo các phương pháp trước đây

Chương 03: Xác định vị trí đặt chống sét van bảo vệ máy biến áp phân phối theo phương pháp câi tiến

Chương 04: Xây dựng chương trình tính toán và một số tính toán ứng dụng

Chương 05: Kết luận.

2.1 Giới thiệu tống quan về chống sét

Mọi thiết bị điện khi lắp đặt đều được dự kiến đưa vào vận hành lâu dài ở cấp

điện áp xác định và thường được lựa chọn dựa trên điện áp định mức của lưới điện

mà thiết bị đó được đấu nối vào Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, đôi khi lại xảy

ra quá điện áp tạm thời do nhiều nguyên nhân gây ra, có thể là do các sự cố chạm

đất, thao tác đóng cắt thiết bị khi vận hành, sét v.v Trong đó, quá điện áp do sét là nguy hiểm nhất, bởi vì quá điện áp này rất lớn gây phóng điện đánh thủng cách điện

và phá hủy thiết bị

Có ba yếu tố quan trọng như nhau liên quan đến việc bảo vệ quá điện áp:

Thiết kế tổng quan lưới điện, mức cách điện xung cơ bản (BIL) của thiết bị

(máy biến áp, bộ điều áp, dàn tụ bù,.v.v.) trên lưới, thiết bị bảo vệ (chống sét van,

dây chống sét)

Kha nang cách điện của hệ thống cơ bản được xác định bởi đặc tính kỹ thuật của các bộ phận sử dụng (cực cách điện, dây dẫn, v.v ) cộng với cấu trúc, khoảng cách và tất cả các hệ số khác bao gồm trong việc thiết kế hệ thống điện Cách điện

của một hệ thống điện phải chịu được điện áp, tần số nguồn liên tục trong nhiều

năm với nhiều điều kiện khí hậu thay đổi Để đảm bảo tính hợp nhất dài hạn của hệ thống, phải thiết kế cho lưới điện chịu được điện áp cao hơn mức bình thường Tuy

nhiên, về mặt kinh tế cũng khó thực hiện được lưới điện có khả năng chịu được điện

áp cao như khi có quá điện áp quá độ

Tương tự mức cách điện xung của thiết bị phân phối được thiết kế để chịu

được điện áp cao hơn bình thường Phương pháp này có hiệu quả đến một mức nào

đó, nhưng sẽ nhanh chóng đến một giai đoạn mà không thể thêm chỉ phí để tạo cấp

cách điện BIL cao hơn được nữa vì không khả thi về kinh tế

Cấp bảo vệ quá áp cần phải bổ sung bằng cách lắp đặt thiết bị bảo vệ dé giới

hạn quá điện áp mà một thiết bị (hay đoạn đường dây) phải chịu Phương pháp này

còn cho phép giảm cấp độ cách điện của thiết bị, vì có thể dựa vào khả năng quá áp

áp đo sét) và yếu tố kinh tế

Không thể thiết kế một lưới điện có thể đáp ứng được yêu cầu là mọi quá điện

áp phải dưới mức chịu đựng của cách điện của các thiết bị, bởi vì như thế sẽ làm

cho chỉ phí vượt lên quá mức Do vậy, khi thiết kế một lưới điện, cũng như tính

toán chọn thiết bị lắp đặt trên lưới là hạn chế tối thiểu các tác hại của quá điện áp,

quy trình này dựa trên cơ sở phối hợp các quá áp dự kiến và khả năng chịu đựng

quá áp của các thiết bị Muốn đạt được điều này phải đáp ứng hai bước sau đây :

> Thiết kế lưới điện thích hợp để kiểm soát và hạn chế tối thiểu các quá áp

> Sử dụng các thiết bị bảo vệ quá áp

Tổng hợp hai bước trên được gọi là bảo vệ quá áp hay phối hợp cách điện Khi quá áp lớn quá mức sẽ dẫn đến phóng điện đánh thủng cách điện của thiết

bị, đo vậy bảo vệ quá áp bao gồm: thiết kế được phối hợp lưới điện và việc lắp đặt thích hợp các thiết bị bảo vệ tại các vị trí hợp lý nhằm mục đích hạn chế quá áp và tránh hoặc giâm thiểu các hư hỏng cách điện

Thiết kế được phối hợp bao gồm:

> Hệ thống nối đất phải đảm bảo hiệu qua

> Ding dây, kim thu sét

> Điều khiển góc thao tác các máy cắt,

> Sử dụng các tụ điện xung

Các thiết bị bảo vệ bao gồm :

> Khe ho phong điện

> Cac loại van chống sét

Mục tiêu cơ bản của các báo vệ quá áp trong hệ thống điện là tránh các hư

hỏng cách điện, ngừng làm việc hoặc hư hỏng của thiết bị Hiện tại, thông thường

sử đụng chống sét van MOV không khe hở để bảo vệ quá áp đo sét trên máy biến

áp, đường dây phân phối.

= Bén ngoai la mot éng str hay chat dẻo cách điện có hình dang va kích thước

tùy thuộc cấp điện áp định mức sử dụng;

»_ Bên trong ống chứa hai phần tử chính là khe hở phóng điện và điện trở phi

tuyến;

s Khe hở phóng điện bao gồm nhiều cặp khe hở ghép nói tiếp Mỗi cặp khe hở được chế tạo bởi 2 đĩa đồng mỏng dập định hình Ở giữa là một tắm đệm mica hoặc bìa cách điện dày khoảng 1mm để tạo khe hở phóng điện Mỗi

chống sét van có số cặp khe hở phóng điện tùy theo nhà chế tạo thiết kế

“_ Điện trở phi tuyến gồm các tấm hình trụ tròn ghép nối tiếp Điện trở phi tuyến có thể là Vilit hoặc Tirit hoặc ZnO (thường là ViIÙ

tu OM Ody k2 bông hòa i24” ri chai hone Vu

3EK7 Design

(ay (EC 0099-4

Vi2e went whet Bee al

Hình 1.1: Cấu tạo chống sét Van

Nguyên lý hoạt động của chống sét van chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của điện trở Vilit Khi điện áp đặt lên Vilit tăng cao thì giá trị điện trở của nó giảm và ngược lại khi điện áp giảm xuống thì điện trở sẽ tăng lên nhanh chóng

Khi có quá điện áp đặt lên chống sét van, điện trở của chống sét van nhanh

chóng hạ thấp xuống tạo điều kiện để dẫn dòng xung sét qua nó xuống đất, đến khi

điện áp đặt lên chống sét van chỉ còn là điện áp mạng thì điện trở của chống sét van lại tăng lên rất lớn chấm dứt dòng điện duy trì vào thời điểm thích hợp nhất.

không những có tác dụng hạ thấp biên độ mà còn làm giảm độ dốc của sóng sét Vì thế, nó có thể bảo vệ chống được hiện tượng phóng điện giữa các vòng dây trong cùng một pha của các máy biến áp

2.2 Khái niệm về hiện tượng sét và tình hình dông sét ở Việt Nam

* Khái niệm về hiện tượng sét

Hầu hết các nguyên nhân gây ra quá áp đều có tính quá độ, chỉ kéo dài vài

mnicrô giây đến vài chu kỳ và có nguồn gốc từ hệ thống hay ngoài hệ thống Nguồn

bên ngoài chủ yếu là đông sét, một hiện tượng khó dự đoán trướ c, tạo áp lực đối với

các hệ thống Các nguồn gốc bên trong chủ yếu do thao tác đóng cắt mạch điện và

sự cố pha đất Một nguồn phổ biến là đóng cắt cụm tụ điện nhưng những nguồn quá

áp này ít gây áp lực cho thiết bị so với đông sét Như vậy, mặc dù sóng xu ng có thể

được phát sinh từ trong hệ thống (ví dụ do đóng cắt), nhưng rõ ràng dông sét vẫn là

nguyên nhân chính có nguy cơ gây ra quá áp có hại cho hệ thống

Dông sét là nguồn gốc chính của quá áp có hại trên lưới phân phối, nó có thể

được sinh ra do sét đánh trực tiếp hay do cảm ứng Xung điện áp sinh ra có thể thay đổi từ tăng tương đối nhỏ đến lớn gấp mắy lần điện áp pha đất bình thường nếu cấp

cách điện của hệ thống cho phép

Khi sét đánh vào đường dây, một vùng rộng lớn sẽ bị ảnh hưởng xung quanh

vị trí sét đánh, vì điện áp vượt hơn mức cách điện định mức của đường dây và hồ

quang của dòng sét sẽ chạy xuống đất ngay lập tức Đồng thời, các sóng điện sét

cảm ứng trên dây dẫn sẽ lan truyền đi dọc theo đường dây Những sóng điện sét này gồm hai thành phần: điện áp và dòng điện Biên độ điện áp bằng biên độ dòng điện

nhân với trở kháng sóng của đường dây, trị số này nhỏ hơn điện áp phóng điện hồ

quang của cách điện hệ thống Các xung này lan truyền trên đường dây trên không

với tốc độ của ánh sáng

Càng nắm được các đặc tính của sét thì việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ càng

biểu có xung đầu sóng rất dốc, có nghĩa là điện áp của nó tăng với tỷ lệ cả triệu vôn trên một giây Thực tế 15% các đỉnh của sét xảy ra dưới lụs Xung đầu đốc được

nối tiếp bởi một đuôi sóng ngắn, nghĩa là sau khi điện áp đạt đỉnh thì thời gian mà

sự cố điện áp đó giảm xuống còn một nửa giá trị điện áp đỉnh là trong khoảng thời gian 200 ps và hoàn toàn triệt tiêu trong khoảng 1000us

Tính không dự đoán của sét cho thấy rất khó xác định được biên độ các cú

đánh của sét, tuy nhiên thực tế là sẽ có nhiều cú sét đánh liên tục vào một vị trí Kết

quả quan trắc cho thấy rằng một cơn sét gồm nhiều đợt phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, nhiều nhất có thê đến vài chục lần Các lần phóng điện sau có

dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt như lần đầu), không phân nhánh và theo đúng quỹ đạo của lần phóng điện đầu nhưng có tốc độ nhanh hơn

(2.106m/s) Mỗi lần phóng điện sẽ tạo nên một xung dòng sét Các xung sét sau

thường có biên độ bé hơ n, nhưng độ dốc đầu sóng cao hơn nhiều so với xung đầu

tiên Một cơn sét có thể kéo dài 1,33s, điều này trái ngược với khái niệm là sét xảy

ra trong thời gian rất ngắn, mà do có nhiều lần phóng điện liên tiếp nên có thể xem

nó được kéo dài

“> Tình hình dông sét ở Việt Nam

Việt Nam là một nước thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, cường độ hoạt động của dông sét rất mạnh Thực tế sét đã gây nhiều tác hại đời sống con người,

gây hư hỏng thiết bị, công trình Là một trong những tác nhân gây sự cô trong vận

hành hệ thống điện và hoạt động của các ngành khác Ở các vùng lãnh thê với điều kiện khí hậu, thời tiết và địa hình khác nhau thì đặc điểm về hoạt động đông sét

khác nhau, mặt khác điều kiện trang bị kỹ thuật khác nhau thì mức độ thiệt hại do sét gây ra cũng khác nhau Vì vậy, ngoài việc tiếp nhận các kết quả nghiên cứu của thế giới, mỗi nước cần phải tự tiến hành điều tra, nghiên cứu về đặc tính hoạt động

của dông sét và các thông số phóng điện sét trên lãnh thổ của mình để từ đó đề ra

những biện pháp phòng, chống sét thích hợp và hiệu quả

Từ các nguồn số liệu khác nhau về ngày đông, giờ dông của các đài trạm

thuộc các tỉnh thành (xem PHỤ LỤC — Đặc điểm dông sét của Việt Nam), qua xử lý

tính toán đã phân ra được 5 vùng đặt trưng về cường độ dông sét trên toàn bộ lãnh

thô Việt Nam, bao gồm:

- Khu vực đồng bằng ven biển miền Bắc (khu vực A)

- Khu vực miền núi trung du miền Bắc (khu vực B)

- Khu vực miễn núi trung du miền Trung (khu vực C)

- Khu vực ven biển miền Trung (khu vực D)

- Khu vực đồng bằng miền Nam (khu vực E}

Bảng 2.1 Cường độ dông sét tại các khu vực

Quá điện áp do sét có giá trị lớn, phụ thuộc hình dạng và biên độ xung sét Các

thiết bị bảo vệ quá áp do sét như chống sét van MOV có điện trở giảm rất thấp trong thời gian sét xảy ra

Nhiều thiết bị khoa học hiện đại được dùng để đo lường và ghi lại dòng sét, đã cho thấy phạm vi thay đổi rất rộng của giá trị dòng điện từ: 1000A đến 200kA cho

thấy mức độ khó đoán của biên độ sét Sự nghiên cứu phân tích cho thấy dòng chạy

qua chống sét van MOV chỉ khoảng 1/10 tổng giá trị của dòng điện sét nhưng đặc biệt lưu ý là chị khoảng 5% số sét trên lưới điện phân phối vượt quá giá trị I0kA 2.3 Một số thuật ngữ cơ bản

Có hai tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến đẻ thiết kế chống sét hiện nay là IEC

và ANSI, cần lưu ý có một số khác biệt nhỏ giữa hai tiêu chuẩn trong khi chọn

chống sét van, để tránh nhằm lẫn, sau đây sẽ giới thiệu các thuật ngữ cơ bản khi gặp

van dé nay

e Điện áp định mức U, (Rated Voltage)

Thông thường điện áp định mức của một thiết bị là giá trị điện áp được đặt liên

tục trên thiết bị mà thiết bị vẫn đảm bảo tí nh năng của nó, trong nhiều trường hợp

đối với chống sét van không phải là như vậy:

Theo tiêu chuẩn IEC: Điện áp định mức của chống sét là giá trị hiệu dụng cho

phép tối đa của điện áp tần số công nghiệp đặt vào hai cực chống sét mà tại đó chống sét được thiết kế để vận hành đúng ở các điều kiện được thiết lập trong các thí nghiệm chu kỳ làm việc (Operating duty test)

Điện áp định mức được sử dụng như là một thông số tham khảo các đặc tính

vận hành của chống sét

Theo tiêu chuẩn IEC, một chống sét van đáp ứng tiêu chuẩn phải chịu đựng

được điện áp định mức của nó ít nhất trong 10 giây, sau khi đã được gia nhiệt trước đến 60°C và chịu tác động một xung dòng cao hay hai xung dòng trong thời gian đài

và sau đó được phối hợp kiểm tra độ ổn định nhiệt đối với điện áp vận hành liên tục

(Continuous Operating Voltage) trong khoảng thời gian 30 phút

Chu trình thử nghiệm này khá phức tạp và hiển nhiên U, không phải là giá trị

đo trực tiếp trên chống sét

Theo tiêu chuẩn ANSI: Điện áp định mức chu kỳ làm việc (Duty Cycle Voltage Rating) là thuật ngữ gần với U, của IEC Theo ANSI, điện áp chu kỳ làm

việc cũng được định nghĩa là một chu kỳ thử nghiệm khá phức tạp Điện áp định mức chu kỳ làm việc là điện áp mà tại giá trị này các mẫu thử nghiệm được nạp điện mà không gia nhiệt trước Điện áp thử nghiệm này được giữ khoảng 20 phút,

trong thời gian đó 20 xung dòng phân loại (thí dụ 10kA, 8/20 us) được sử dụng với

khoảng thời gian giữa các lần thao tác là S0 giây đến 60 giây

Hiển nhiên, sự xác định định mức chống sét theo tiêu chuẩn ANSI không thể

đo trực tiếp trên chống sét, cũng không liên quan đến các điều kiện làm việc gắn chặt với các đánh giá thử nghiệm

Mặc đù các thử nghiệm là khác nhau giữa IBC và ANSL, trong thực tế các định

mức được xác định bởi các nhà sản xuất khác nhau, đối với các đặc tính chính thi

hầu như tương tự đù là được xác định theo tiêu chuẩn IEC hay ANSI Lý do là trong thực tế điện áp định mức được sử dụng như là một thông số tham khảo các đặc tính

khác của chống sét mà sẽ được xác định từ hệ thống hay các yêu cầu thử nghiệm

Do vậy, trong lựa chọn thiết bị chống sét, điều quan trọng quyết định là các thông

số đo được, chăng hạn như các mức bảo vệ tuyệt đôi

® Dòng điện quy chuan I jer (Reference current)

Theo tiêu chuẩn IEC: Dòng điện quy chuẩn là giá trị đỉnh (giá trị đỉnh của hai cực sẽ cao hơn nếu dòng điện bất đối xứng) của thành phần điện trở ở dòng điện tần

số công nghiệp được sử dụng để xác định điện áp quy chuẩn của chống sét Dòng

điện quy chuẩn phải đủ lớn dé có thể bỏ qua các ảnh hưởng của điện dung tân của

chống sét tại giá trị điện áp quy chuẩn đo được và được quy định bởi nhà sản xuất Theo tiêu chuẩn IEC 99 - 4 thì dòng điện quy chuẩn cho phép khi đặt điện áp xoay chiều tần số công nghiệp vào hai cực của chống sét là tương ứng với mật độ

dòng điện khoảng (0,05mA.+1,0mA)/cmẺ của tiết diện đĩa MOV của các chống sét

loại một trụ

Theo tiêu chuẩn ANSI: Dòng điện quy chuẩn là giá trị đỉnh của thành phần

điện trở của dòng điện tần số công nghiệp đủ lớn để có thể bỏ qua các ảnh hưởng

của các điện dung tản của chống sét Mức dòng điện này do nhà sản xuất quy định

Theo tiêu chuẩn ANSI C62 - 11 thì khi nâng điện áp lên 1,25 lần điện áp làm việc liên tục lớn nhất MCOV (Maximum Continuous Operating Voltage) vào hai

cực của chống sét thì dòng điện qua chống sét là dòng điện quy chuẩn

Dòng điện quy chuẩn cho phép theo tiêu chuẩn này là (0,05 mA + 1,0 mA)/em”

của tiết diện dia MOV.

e Điện áp quy chuẩn U„ (Reference Voltage)

Theo tiêu chuẩn IEC: Điện áp quy chuẩn là giá trị đỉnh của điện áp tần số công nghiệp chia cho ^Í2 được sử dụng cho chống sét để đạt dòng điện quy chuẩn Điện áp quy chuẩn của một tổ hợp gồm nhiều chống sét ghép lại là tổng số của các

điện áp quy chuẩn thành phần

Theo tiêu chuẩn ANSI: Điện áp quy chuẩn là giá trị đỉnh thấp nhất của điện

áp tần số công nghiệp của cực độc lập chia cho 42 , được yêu cầu tạo ra thành phần

điện trở của dòng điện bằng dòng quy chuẩn của chống sét Điện áp quy chuẩn của

một tổ hợp gồm nhiều chống sét ghép nối tiếp là tổng số của các điện áp quy chuẩn

của từng thành phần Mức điện áp này do nhà sản xuất quy định

e Dién Ap van hanh lién tac U, (Continuous Operating Voltage - COV)

Theo tiêu chuẩn IEC: U, (COV) là giá trị hiệu dụng của điện áp tần số công

nghiệp tối đa được thiết kế mà điện áp này có thể sử dụng liên tục giữa hai cực của

chống sét

Khi so sánh COV của các chống sét các nhà sản xuất khác nhau cần lưu ý là

không phải khi một chống sét có COV lớn hơn là đặc tính chống sét tốt hơn Bởi vì

giá trị COV được thiết kế là có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất, nó phụ thuộc vào các thông số sau đây:

Sự phân bố điện áp phí tuyến đặc biệt là các chống sét có thân dài

Các ứng suất xung thao tác và xung sét

Đặc tính lão hóa

Đặc tính ô nhiễm

Các quá áp tạm thời

COV cao hơn không tương ứng đối với điện áp điểm ngưỡng (Knee point

voltage) cao hơn, không cải thiện đặc tính ô nhiễm hoặc khả năng chịu đựng quá áp

tạm thời (TOV: Temporary OverVoltage)

Do vậy, tốt nhất là cần quy định COV, TOV và các thông số khác riêng lẻ dựa trên yêu cầu thực tế của lưới điện và theo đó lựa chọn chống sét thích hợp

Theo tiêu chuẩn ANSI: Thuật ngữ MCOV (Maximum Continuous Operating

Voltage) là giá trị hiệu dụng của điện áp tần số công nghiệp tối đa có thê áp đặt liên tục vào hai cực của chống sét

Theo tiêu chuẩn ANSI tất cả các định mức chống sét đều được liệt kê trong một báng có MCOV tương ứng cho mỗi định mức điện áp chu kỳ làm việc

Trong trường hợp này, có một sự quan hệ cố định giữa MCOV và định mức

chu kỳ làm việc và không xem xét đến việc áp dụng thực tế Do vậy, MCOV được

sử dụng như là điện áp thí nghiệm trong các thí nghiệm chung loai (type test) theo tiêu chuẩn ANSI Không có xem xét sự phân bố điện áp không tuyến tính làm cho

các thử nghiệm theo ANSI ít khắc nghiệt so với các thử nghiệm theo IEC

Hơn nữa, các thuận lợi trong việc lựa chọn một điện áp định mức cao hơn cho một áp dụng riêng biệt không được chỉ ra ở các thí nghiệm như thế, như các thí

nghiệm nhiễm bản và các phối kiểm TOV Bất kỳ khi nào có sự lựa chọn hai định

mức chống sét cho áp dụng giống nhau, điều hiển nhiên là các thử nghiệm phải

được thực hiện với điện áp công tác tối đa thực tế để đạt được một giá trị thích

sét van, không phải của chống sét hoàn chỉnh

e Quá điện áp tạm thời TOV (Temporary Over Voltage)

Quá điện áp với tần số vài Hz đến vài trăm Hz, thời gian kéo đài từ vải ms đến

hàng giờ Các nguyên nhân của quá áp tạm thời có thể là chạm đất một pha, hai pha, cộng hưởng sắt từ trong lưới điện, sa thải phụ tải Thông thường xung này không được quá 4/3 pu và không gây nguy hiểm trong vận hành lưới điện Tuy nhiên, nó là yếu tô quyết định đến kích cỡ của chống sét

e Hệ số bền chịu đựng quá áp tạm thời T

TOV là một hàm số theo thời gian t ở nhiệt độ môi trường † = 60°C (nhiệt độ không khí bên ngoài chống sét) Đường đặc tuyến ở trên không mang tải trước,

đường đặc tuyến phía dưới có mang tải trước, t là khoảng thời gian quá áp tần số công nghiệp

Hệ số độ bền chịu đựng quá áp tạm thời T là khả năng chịu đựng TOV của chống sét van được định nghĩa như sau :

MAXIMUM DURATION (SECONDS)

Hình 2.2 Hệ số quá áp T = TOV/U, quan hệ với quá áp tạm thời

Để thể hiện khả năng chịu quá áp tạm thời của chống sét MOV, các nhà sản xuất thường cung cấp kèm theo chống sét đặc tính khả năng quá áp tạm thời theo

thời gian

+ Lưu ý có hai cách thể hiện:

a Cách ¡: Cách này thường gặp ở các nhà sản xuất Châu Âu và theo tiêu

chuẩn IEC

Trong Hình 1.2, đường đặc tuyến ở phía trên có giá trị đối với các chống sét không có mang tải trước đáng kể Vì lý do ổn định nhiệt nên nhiệt độ MOV không

thể vượt quá một giá trị xác định, năng lượng do chống sét hap thu cũng bị giới hạn

Với lý do đó, tải cho phép trong khoảng thời gian t sé giảm theo giá trị của T đáp

ứng với TOV Đường đặc tuyến phía dưới có giá trị đối với chống sét khi ở thời điểm t = 0 đã mang tải trước là U „„ có năng lượng E Dĩ nhiên đường đặc tuyến này

nằm bên dưới đường đặc tuyến chưa mang tải bởi vì trong từng trường hợp, năng

lượng hấp thụ vào chống sét van trong khoảng thời gian t của đường đặc tuyến

mang tải phải nhỏ hơn

b Cách 2: Cách này thường gặp ở các nhà sản xuất Châu Mỹ theo tiêu chuẩn ANSI

gia nhiệt trước (đến 60°C) mẫu thử nghiệm, trên định mức chu kỳ làm việc của chống sét cho nhiều lần từ 0,1 đến 10 giây Một thí nghiệm quá áp được giảm đến

giá trị MCOV trong vòng 200 ms trước khi bị hỏng do nhiệt Khu vực bên dưới đường cong là đặc tính điện áp — thời gian mà ở đó các mẫu thử đã được xác định

ổn định nhiệt trong khoảng thời gian chu kỳ sau 30 phút với tổn thất công suất bằng

hay ít hơn giá trị gốc Mặc dù điều này không phải là một thí nghiệm được bắt buộc

hay được mô tả bởi tiêu chuẩn ANSI hay IEC Không phải vì nó là một thí nghiệm

ít quan trọng đẻ thiết lập một đường cong điện áp tần số công nghiệp - thời gian

nhằm xác định khả năng của một chống sét đáp ứng dòng điện phóng mà theo kinh

nghiệm sự quá áp ở tần số công nghiệp không bị quá nhiệt Cần lưu ý là ở tiêu

chuẩn ANSI thử nghiệm mang tải trước để có đường cong Prior Duty chỉ yêu cầu áp dụng đối với các chống sét loại tram (Station class) và loại trung gian (Intermediated class)

e Điện áp kẹp, dién 4p du Ures (Residual voltage)

Điện áp dư U„; là điện áp xuất hiện giữa hai cực chống sét trong quá trình dòng điện phóng chạy qua chống sét Nó phụ thuộc vào biên độ cũng như dạng sóng của dòng điện phóng và được biểu thị ở giá trị đính Đối với các biên độ và dạng

sóng khác với dòng điện phóng định mức, điện áp dư thường được biểu thị bằng %

so với điện áp phóng ở dòng điện định mức

e Hệ số sự cố chạm đất K, (Earth fault factor)

Hệ số chạm đất K, là tỷ số của điện áp ở các pha không bị sự cố trong quá trình

sự cố đối với điện áp trước khi bị sự cố chạm đất (Bảng 1.2)

Bang 2.2 Độ gia tăng điện áp pha — đất (TOV) trên pha không bị sự cô đối với

Hệ thống 4 dây nôi đât lặp lại 1,25 — 1,35

Hệ thống 3 dây nỗi đất tông trở nhỏ 1,40

Hệ thông 3 dây nôi đất tông trở lớn 1,73

Hệ thống 3 dây nỗi Tam Giác (delta) 1,73

e Năng lượng định mức

Dung lượng năng lượng của các chống sét MOV phụ thuộc vào nhiều

thông số nhự khoảng thời gian phóng năng lượng, biên độ dòng và số lần

phóng điện

Nói chung, chống sét không được dùng để bảo vệ các thiết bị điện để ngăn

ngừa TOV vì như vậy sẽ đòi hỏi một số lượng lớn các chống sét nối song song

Những áp dụng có thể được xem xét chỉ trong trường hợp để hạn chế hay loại trừ

TOV cộng hưởng Trong trường hợp này, cần phải nghiên cứu một cách cần thận để chọn lựa chống sét có dung lượng thích hợp

Tổng trở ngắn mạch nhìn từ thiết bị chống sét trong quá trình xảy ra TOV đóng vai trò quan trọng để xác định yêu cầu năng lượng, các yếu tố khác ảnh hưởng đến

dung lượng TOV là năng lượng hấp thụ như nhiệt độ ban đầu của các thớt của bộ

chống sét khi có TOV và điện áp đưa vào sau TOV Đối với các TOV có tần số cao

hơn tần số công nghiệp có thể giả thiết ở cùng một biên độ điện áp thì khoảng thời

gian chịu đựng của chống sét trong hai trường hợp này được xem như nhau néu qua

trình này ngắn hơn 10s Đối với các trường hợp khác thì phải tham khảo ý kiến nhà

sản xuất

Theo tiêu chuẩn IEC là các thử nghiệm chịu đựng xung dòng thời gian dài (Long duration current impulse withstand test) Va theo ANSI là các thí nghiệm

chịu đựng dòng phóng (Discharge current withstand test) đó là các xung đòng chữ

nhật dài 2-3,2ms, biên độ 200 — 1000A và số xung là 18 hay 20 Nói chung, các yêu cầu của IEC là khắc nghiệt hơn yêu cầu của ANSI do năng lượng mỗi xung là cao

hơn Thông thường các chống sét MOV chịu đựng mức năng lượng cao hơn ở các dòng thấp có thời gian đài (như các ứng suất tần số công nghiệp) so với các dòng cao có thời gian ngắn (như dòng phóng của tụ điện) Khi đề cập đến dung lượng

năng lượng phải kèm theo chu trình thử nghiệm nếu không thì không có n ghia

Cũng cần lưu ý các số liệu cho bởi các nhà sản xuất thường khác nhau và khó so

sánh trừ phi chủng cũng được tiến hành với các chu trình thử nghiệm tương đương

Các số liệu có thể được giới thiệu bằng nhiều cách chẳng hạn như kJ/V MCOV

hay kJ/kV định mức Có thể xem sự khác nhau là 25% định mức là khoảng 1,25 lần

MCOV

2.4 Thiết bị chéng sét van MOV khong khe hé

e CAu tao chéng sét MOV (Metal Oxide Varistor)

MOV téng hop gồm nhiều kim loại Các đặc tính điện yêu cầu của sản phẩm

cuối cùng là hoàn toàn không có ở các nguyên liệu được sử dụng Do vậy, các đặc

tính điện của MOV được hình thành khi sản xuất, oxit kim loại được dùng để chế

tạo MOV thường là oxit kẽm

Biến trở oxit kẽm (ZnO) bao gồm chủ yếu là oxit kẽm (khoảng 90% trọng lượng) và một lượng nhỏ các oxit kim loại khác còn được gọi là phụ gia như: bismuth, cobalt, antimany va oxit mang gan

e Hac tinh cia MOV

Hình 2.4 Đặc tính điện trở phi tuyến của chống sét van MOV

Như ở hình trên, điện trở của phần tử MOV là một hàm theo điện áp đặt tại đầu cực Ở điện áp vận hành bình thường, điện trở của phần tử ZnO có trị số rất lớn và

được xem như là cách ly với hệ thống

Trong điều kiện có quá điện áp, điện trở của MOV giảm xuống rất thấp và dẫn

dòng điện xung chạy qua, như vậy sẽ bảo vệ được các thiết bị khỏi bị phá hóng khi

có quá điện áp xảy ra Dòng điện chạy qua chống sét van là dòng phóng điện và điện áp giữa hai cực của nó được gọi là điện áp dư Như vậy, tông của điện áp dư

của chống sét van với điện áp rơi trên dây nói là điện áp đặt lên thiết bị được bảo vệ

trong thời gian xảy ra phóng điện

Sau khi cho đòng điện phóng qua, và điện áp hệ thống trở lại điện áp vận hành

bình thường thì điện trở của chống sét van MOV lai tăng cao và trở về chế độ làm

việc như một thiết bị cách ly

2.5 Lựa chọn thiết bị chống sét van theo thông số hệ thống

Theo kinh nghiệm, một số tài liệu kiến nghị khi thiếu các thông tin về vị trí lắp đặt thiết bị chống sét, có thể sử dụng các số liệu sau đây để chọn thiết bị chống sét

áp dụng cho MOV không khe hở thì điện áp định mức của chống sét được chọn như sau:

Y 1,25 x điện áp pha-đất định mức với hệ thống 4 dây, trung tính nối đất lặp

lai

0,8 x điện áp dây định mức đối với hệ thông 3 dây, trung tính trực tiếp nối đất

Y 1,05 x dién 4p dây đối với hệ thống cách đất

Tuy nhiên, để đảm bảo các biên hạn bảo vệ và phát huy tốt chức năng bảo vệ

quá áp của thiết bị chống sét việc lựa chọn chống sét cần tiến hành các bước sau: +% Bước I: Xác định môi trường lắp đặt của chống sét

Ở bước này cần xác định yếu tổ môi trường bên ngoài nơi chốn g sét sẽ được

lắp đặt như: CSV được lắp đặt trong nhà hay ngoài trời, mức độ ô nhiễm để xác

định chiều đài đường rò của vỏ bọc cách điện

Ngoài ra cũng cần chú ý đến điều kiện làm việc không bình thường sau đây dé

liên hệ với nhà sản xuất để được tư vấn:

Nhiệt độ môi trường xung quanh lớn hơn +40°C hay thấp hơn -40°C

e Độ cao nơi lắp đặt so với mực nước biển lớn hơn 1000m các CSV chế tạo

theo tiêu chuẩn ANSI độ cao này là h > 1800 m (6000 feet)

e Hơi hay hơi nước có thé gay hu hong bề mặt của cách điện ngoài

e Sự nhiễm bản quá mức gây ra bởi khói, bụi, hơi muối hay các vật liệu dẫn

điện khác.

e Lắp đặt những nơi mà có các yếu tố quá mức như hơi nước, độ ẩm, nước

chảy thành dòng

e Lau chùi chống sét van mà không cắt điện

e Sự pha trộn các khả năng phát nỗ như bụi, khí hay hơi

e Các điều kiện cơ học không bình thường (động đất, rung động, tốc độ gió

cao, băng đóng dày)

e Lưu kho hay vận chuyển không bình thường

e Tần số dưới 48§Hz hay trên 62Hz

e Nguồn nhiệt lắp đặt gần nơi chống sét van

s* Bước 2: Xác định các thông số của hệ thông

a Xác định điện áp vận bành cực đại của hệ thống U„

Điện áp cực đại của hệ thống là giá trị hiệu dụng cao nhất của điện áp dây xảy

ra trong điều kiện vận hành bình thường ở một thời điểm và vị trí nào đó trong hệ thống

Nếu chỉ có điện áp định mức U, hệ thống thì chọn: U„ = (1,05 + 1,1)Ư

b Xác định hệ số chạm đất K,

Hé sé K, phy thudc vao phuong thie nối đất của điểm trung tính, tham khảo số liệu K; ở Bảng 1.2

c Xác định giá trị quá điện áp tạm thời

Thông thường giá trị Uroy được hiểu là điện áp ở sự cố chạm đất một pha

Biên độ Urov được xác định như sau:

Urov ¡¿= Kex Um/3 (1.2)

Cn Iya chon: U yoy ching sétvan 2 Urov tusi

+* Bước 3: Kiểm tra các lý do khác xảy ra TOW

Thông thường TOV xuất hiện khi có sự cố chạm đất, hoặc do sa thải phụ tải Tuy nhiên ở một số kết cấu lưới nào đó có thể xảy ra quá điện áp cộng hưởng, điều này cũng có thể xảy ra khi các cực máy cắt tác động không đồng thời Quá điện áp cộng hưởng không được dùng làm cơ sở để tính chọn TOV của chống sét

Trong một vài trường hợp vận hành, để giảm dòng sự cố, thường phai ding

biện pháp nối đất trung tính của máy biến áp Trong trường hợp này, có thể xảy ra

khả năng một số bộ phận của hệ thống có thể trở thành mắt tác dụng phần nối đất

(ví dụ như tăng giá trị K,), trong một số giai đoạn khi mà một hoặc nhiều máy biến

áp có trung tính được tách ra không nối đất Nếu không dự phòng cho việc này thì

một số sự cố chạm đất xảy ra trong những giai đoạn này có thể dẫn đến TOV cao

hơn và làm hỏng chống sét

Tuy nhiên, hiểm khi xảy ra trường hợp này, do vậy người ta chấp nhận nguy cơ hỏng chống sét thay vì chọn một chống sét van có TOV cao hơn

* Bước 4: Xác định điện áp vận hành liên tục của chỗng sét U, (Continuous

Operating Voltage - COV)

COV hay MCOV là trị số hiệu dụng của điện áp tần số công nghiệp cho phép

đã được thiết kế cho chống sét mà có thể áp dụng liên tục vào hai cực của chống sét

Lưu ý: U, của bộ chống sét có thê nhỏ hơn tông các U, của từng phần tử khi điện áp phân bố đọc theo chống sét không hoàn toàn đồng nhất

Uc > Um v3 (1.3)

+ Bước 5:Xác định thời gian chịu quá áp điện áp nội bộ (có chạm dat 1 pha)

Thời gian này phụ thuộc vào yêu cầu thời gian giải trừ sự cố, một số quy định

như sau:

a Đối với lưới trung tính cách đất t > 2 giờ (theo quy trình vận hành hiện nay

ở Việt Nam, cho phép thời gian tách điểm sự cố t„ < 2 giờ)

b._ Đối với các lưới trung tính trực tiếp nối đất, nên chọn t = 10s, giá trị này phù

hợp với thực trạng bảo vệ rơle hiện nay ở Việt Nam

Hai giá trị đề xuất ở a và b được sử dụng để kiểm tra sự phù hợp của chống sét

dự kiến câu hình lưới điện

2.6 Tống kết chương 1

Chương này đã trình bày được hiện tượng sét và các thông số của sét, các định nghĩa cơ bản một số thuật ngữ theo hai tiêu chuẩn ANSI va IEC Đồng thời trình

bày được cấu tạo và cách lựa chọn thiết bị chống sét van theo thông số hệ thống

Chống sét van bảo vệ tốt nhất máy biến áp khi được đặt tại đầu cực máy biến

áp, nhưng chống sét van còn phải bảo vệ cho toàn bộ cách điện của trạm, cho nên

trong trường hợp tổng quát giữa chống sét van và đầu cực máy biến áp cần có một khoảng cách phân cách Việc xác khoảng cách phân cách này đã và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Chương 2 giới thiệu một số phương pháp xác định khoảng cách phân cách, có xem xét đến các ưu, nhược điểm của từng phương pháp

và hướng nghiên cứu nhằm khắc phục phần nào các nhược điểm này

Phương pháp này giả thiết chống sét van đặt tại đầu cực máy biến áp cần bảo

vệ (Hình 2.1) Vì vậy không quan tâm đến sóng phản xạ

Hình 3.1 Sơ đồ bảo vệ tram dé xét dong qua chống sét van

Trường hợp này dòng định mức chống sét van được chọn theo điều kiện:

2.U,-U

Ở đây: U, (kV) là biên độ sóng quá áp truyền đến trạm Z (Q) là tông trở sóng

đường dây U, (kV)là mức bảo vệ của chống sét van

Trong đó: U, lấy bằng với mức cách điện xung của cách điện đường đây, phụ thuộc vào loại cột (cột gỗ, cột thép hoặc cột bê tông cốt thép)

Nhận xét:

Ưu điểm: Phương pháp này đơn giản

Nhược điểm: Không sử dụng được khi chống sét van không đặt tại đầu cực thiết

bị cần bảo vệ

3.2 Phương pháp D.Fulchiron [7]

Xét cấu hình trạm biến áp một máy biến áp kết nối với đường dây trên không

(Hình 2.2).

Hinh 3.2 Sơ đồ bảo vệ trạm để xét đến khoảng cách phân cách

Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch mức cách điện xung cơ bản của máy biến áp và mức bảo vệ của chống sét van để xác định được khoảng cách phân cách tối đa D cho phép:

sS|Ự P 2

Ở đây: Up(kV) là mức bảo vệ của chống sét van BIL(kV)là mức cách điện

xung cơ bản của máy biến áp S(kV) là độ đốc đầu sóng C là tốc độ truyền sóng

trên đường dây, C = 300 m/us

wrong cabling right cabling

fig, 34: arrester cabiing principle: load-arrester connections must be as short as possible

transformer

Hình 3.3 : kết nối chống sét Van theo D.Fulchiron

Nhận xét:

Phương pháp này có ưu điểm là có xét đến khoảng cách phân cách cho phép giữa

chống sét van và đầu cực máy biến áp Tuy nhiên, vẫn chưa tính đến thời gian đầu

sóng và sóng phản xạ

3.3 Phương phap Benoit de Metz-Noblat [8]

Phương pháp này có xét đến độ đốc đầu sóng (T), sóng phản xạ trong các trường hợp khác nhau Sét xung quá điện áp lan truyền theo đường dây đi vào trạm

biến áp được bảo vệ bằng chống sét van (Hình 2.4)

Hình 3.4 Sơ đồ mạch (đường dây và trạm biến áp) đùng trong nghiên cứu truyền

sóng quá điện áp sét

Những thành phần trong Hình 2.4 bao gồm:

a Đường đây: Z, (0)là tổng trở sóng đường dây C (m/us)là tốc độ truyền sóng

trên đường dây, D (m) là khoảng cách giữa chống sét van và đầu cực máy

biến áp, t = D/C là thời gian truyền sóng giữa hai điểm A và B

b Chống sét van: U; (KV)là mức bảo vệ của chống sét van

c Hệ thống nối đất: Có tổng trở giả thiết gần bằng không

d Dây nối: Giữa đường dây và chống sét van, chống sét van đến đất không

đáng kẻ

e._ Máy biến áp: Có tông trở đầu vào lớn hơn nhiều so với tổng trở đường dây Z,

f Sóng quá điện áp: Độ dốc đầu sóng S = du/dt; Thời gian sóng quá điện áp

tăng từ giá trị 0 đến giá trị U, là T = U,/S

Giá trị quá điện áp cực đại trên đầu cực máy biến áp được xem xét trong 3 trường hợp tương ứng với quan hệ của giá trị T theo + (Bảng 2.1)