Xây dựng mô hình chống sét van: luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** QCH ĐẮC TRẬN XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN ĐỒNG NAI – NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** QUÁCH ĐẮC TRẬN XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 85202101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH ĐỒNG NAI – NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Đồng Nai, ngày 28 tháng 11 năm 2018 Tác giả Luận Văn Quách Đắc Trận LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Lạc Hồng, với nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ q thầy cơ, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Trước hết, tơi xin chân thành cám ơn gia đình động viên giúp đỡ suốt thời gian học tập Tôi chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, Khoa Sau đại học Trường Đại học Lạc Hồng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ thực tốt luận văn tốt nghiệp thời gian qua Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Thầy Quyền Huy Ánh nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt thời gian học tập trình thực luận văn tốt nghiệp Ngồi ra, tơi xin nói lời cảm ơn đến anh, chị học viên lớp cao học 2015 – 2017 đóng góp ý kiến giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp Việc thực đề tài luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót kiến thức chun mơn Kính mong nhận quan tâm, xem xét đóng góp ý kiến quý báu quý thầy, cô bạn để đề tài luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Đồng Nai, ngày 29 tháng 11 năm 2018 Học viên thực Quách Đắc Trận TÓM TẮT Luận văn “Xây dựng mơ hình chống sét van” sâu vào nghiên cứu mơ hình thiết bị chống sét van dạng MOV, lập mơ hình mơ với phần mềm thơng dụng Matlab với mong muốn xây dựng mơ hình thiết bị chống sét van hầu hết nhà chế tạo với thông số cung cấp từ catalogue nhà chế tạo Vì đặc tính động chống sét van, chưa thể mô sử dụng điện trở phi tuyến tính Do đó, có số mơ hình đề xuất để mơ đặc tính động chống sét van Mơ hình pinceti mơ hình đề xuất để mơ đặc tính động chống sét van Độ xác mơ hình chống sét van đánh giá thơng qua việc so sánh giá trị điện áp dư thông qua mô giá trị diện áp dư cung cấp nhà sản xuất Việc đề xuất vị trí lắp đặt hợp lý chống sét van trạm máy biến áp trạm máy biến áp mạng phân phối điển hình Cơng ty Điện lực Đồng Nai xem xét Luận văn hy vọng cung cấp công cụ mô hữu ích với phần mềm thông dụng Matlab cho nhà nghiên cứu, kỹ sư, sinh viên…trong việc nghiên cứu hành vi đáp ứng thiết bị chống sét van tác động xung sét lan truyền MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU PHẦN TỔNG QUAN….………… …………………………………………………….1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI………………………………………………1 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI………………………………………………………2 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI……………………………………….……….…… CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH………………………………………………………3 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI TÍNH THỰC TIỄN………………………… …………………………………4 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI……………………… …………………………….4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……………………………………………….4 CHƯƠNG 1: THIẾT BỊ CHỐNG SÉT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN .6 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .6 1.2 CÁC LOẠI CÁCH ĐIỆN 1.3 KHÁI NIỆM VỀ SÉT 1.4 THIẾT BỊ CHỐNG SÉT VAN 10 1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI CHỐNG SÉT 12 1.5.1 Khe hở phóng điện 12 1.5.2 Chống sét ống .13 1.5.3 Chống sét SiC .14 1.5.3.1 Cấu trúc đĩa van SiC .14 1.5.3.2 Cấu trúc khe hở .15 1.5.3.3 Thiết kế khe hở kèm theo điện trở .15 1.5.4 Chống sét van MOV không khe hở .15 1.5.4.1 Cấu tạo chống sét MOV (Metal Oxide Varistor) 15 1.5.4.2 Đặc tính MOV 16 1.5.5 So sánh làm việc chống sét SIC MOV…………………17 1.5.5.1 Chế độ xác lập………………………………… ……………………18 1.5.5.2 Chế độ hoạt động có áp tạm thời…………………………… 18 1.5.5.3 Chế độ hoạt động dòng xung…………………………………… 18 1.5.5.4 Tính ổn định hoạt động phóng điện 18 CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV 20 2.1 CẤU TẠO CƠ BẢN MOV .20 2.2 TÍNH NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA BIẾN TRỞ ZNO 23 2.3 ĐẶC TÍNH V-I 27 CHƯƠNG 3: CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN .28 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 28 3.2 CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN 29 3.2.1 Mơ hình truyền thống ATP 29 3.2.2 Mơ hình đề nghị IEEE 29 3.2.2.1 Mơ hình IEE 30 3.2.2.2 Xác định thông số 31 3.2.3 Mơ hình đề nghị Pinceti 33 3.2.3.1 Mơ hình Pinceti .33 3.2.3.2 Xác định thông số 33 3.2.4 Mơ hình đề nghị P-K .34 3.2.4.1 Mơ hình P-K 34 3.2.4.2 Xác định thông số 35 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH MƠ PHỎNG BẰNG MATLAB .36 4.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB .36 4.1.1 Phần mềm MATLAB 36 4.1.2 Cơ sở SIMULINK 36 4.2 MƠ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT 37 4.2.1 Dạng xung sét .37 4.2.1.1 Dạng sóng 10/350µs 37 4.2.1.2 Dạng sóng 8/20µs 37 4.2.2 Các dạng xung không chu kỳ chuẩn 38 4.2.3 Xây dựng mơ hình nguồn phát xung 40 4.2.3.1 Xây dựng sơ đồ khối .40 4.2.4 Thực mô .42 4.2.5 Nhận xét 43 4.3 MƠ HÌNH LA CỦA MATLAB 44 4.4 XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN THEO PINCETI BẰNG MATLAB 47 4.4.1 Giới thiệu số khối (block) dùng mơ hình 47 4.4.2 Xây dựng mô hinh chống sét van trung áp 49 4.4.2.1 Xây dựng mơ hình MOV theo Pinceti: 59 4.4.2.2 Xây dựng mơ hình LA hồn chỉnh:……….…………………… … 52 4.4.2.3 Kiểm tra đáp ứng mơ hình LA với xung dịng chuẩn: ……….… … 56 CHƯƠNG 5: MƠ PHỎNG SO SÁNH CÁC MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP BẰNG MATLAB 57 5.1 Xây dựng mơ hình mạch thử nghiệm so sánh 57 5.2 MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG CỦA CÁC CHỐNG SÉT VAN TRUNG ÁP 58 5.2.1 Mô hống sét van trung áp Type 9L11XPA0xxS Hãng General Electric…………………………………………………………………… 58 5.2.2 Mô hống sét van trung áp EVP – Ohio Brass………………………60 5.2.3 Mô hống sét van trung áp ABB 62 5.2.4 NHẬN XÉT CHUNG: 65 CHƯƠNG 6: NGHIÊN CỨU CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN BẢO VỆ TRẠM BIẾN ÁP 22/0,4KV TẠI ĐIỆN LỰC TRỊ AN - CÔNG TY ĐIỆN LỰC ĐỒNG NAI 67 6.1 Sơ lược lưới điện Điện lực Trị An quản lý vận hành: …………… …….….67 6.2 Khảo sát điện áp sét đầu cực máy biến áp theo vị trí lắp đặt LA……….…… 70 6.2.1 Trường hợp trạm có MBA…………………………….…………… … 70 6.2.2 Trường hợp trạm có MBA…………………………….………… ….… 72 6.2.3 Nhận xét:……………………………………………….… ………… 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………….…….… 78 KẾT LUẬN……………………………………………………………… … 78 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI……………………………………… 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị LA Mô tả Chống sét van (Lightning Arrester) R W Điện trở L H Độ tự cảm C F Điện dung D nm Bề dày biến trở Vb V Điện rào e Hằng số điện môi chất bán dẫn Mật độ hạt dẫn N Hạt/cm3 P W Công suất tiêu tán trung bình Nhiệt độ gia tăng trung bình C d Hệ số tiêu tán công suất TOL % Độ sai số chuẩn Vr kV Điện áp định mức chống sét van Vr8/20 kV Điện áp dư cho dòng sét 10 kA với bước sóng 8/20 µs FL, FR kV Độ lớn điện rào Fo kV Điện phân cực gốc a VN q Hệ số phi tuyến kV Điện áp biến trở Điện tích điện tử - 70 - 6.2 sát điện áp sét đầu cực máy biến áp theo vị trí lắp đặt LA 6.2.1 Trƣờng hợp trạm có MBA Chống sét van ngồi nhiệm vụ bảo vệ máy biến áp cịn phải bảo vệ cho toàn cách điện trạm nên bố trí trước FCO ngõ vào trạm biế, LA đầu cực máy biến áp phân phối tồn khoảng cách định Dưới đây, khảo sát quan hệ điện áp đầu cực máy biến áp pha 12.7/0,23kV theo khoảng cách lắp đặt LA máy biến áp thông qua mơ hình hóa mơ Sơ đồ mạch mơ trình bày Hình 4.1 Với thơng số mạch điện sau:  Máy biến áp pha 100kVA, 12.7/0,23kV/0,23kV, 50Hz  CVS: Hãng GE, điện áp định mức 18kV, Điện áp vận hành lâu dài cực đại 15,3kV, Is=10kA, điện áp dư ứng 45.5kV ứng với dịng xung 10kA 8/20µs  Đường dây trung áp: điện áp định mức 12.7kV, tổng trở nguồn R1=6,4 , L1=10,2e-3H, C=10e-6F  Tổng trở cáp nối từ LA đến đầu cực MBA cáp đồng bọc CXV, 25mm224kV: thay đổi theo chiều dài dây nối từ 1-10m với Ro=0,88/km, L0=1.27mH/km,C0=1µF/km  Tổng trở đường dây hạ áp L=100m, F=150mm2,Cu: R3=R4=0,015, L3=L4=0,2e-4H (0,2.e-6H/m)  Tải pha (2x50kVA): PL1=PL2=40kW, QL1=QL2=30kVar,V=230V, tương ứng với I=217A, cos=0,8  Xung dịng sét 10kA 8/20µs Dạng sóng điện áp đầu cực MBA, LA gắn đầu cực MBA (D=0m) trình bày Hình 4.2 Bảng 4.1 trình bày giá trị điện áp đầu cực máy biến áp ứng với giá trị chiều dài L khác - 71 - Hình 6.3: Sơ đồ mô điện áp đầu cực MBA phân phối theo khoảng cách lắp đặt LA Hình 6.4: Dạng sóng điện áp đầu cực MBA theo thời gian LA gắn cách đầu cực máy biến áp 1m (D=1m) cách 12m (D=12m) - 72 - D (m) VT(kV) 47.24 Nhận xét Đạt 47.73 52.85 61.85 Đạt Đạt Đạt 10 11 72.18 74.54 Đạt Đạt 12 75.39 Không đạt Bảng 6.1 Giá trị điện áp đầu cực máy biến áp theo khoảng cách D Từ kết giá trị điện áp đầu cực MBA theo khoảng cách lắp đặt LA Bảng 4.1, nhận thấy:  Giá trị điện áp đầu cực MBA giảm khoảng cách lắp đặt LA (D) giảm  Giá trị giới hạn Dmax=11m, vượt giá trị điện áp đầu cực MBA vượt giá trị cho phép (VBIL=75kV, ứng với MBA có điện áp phía cao áp 12.7kV-Trích TCVN 6306-3:2006, Máy biến áp điện lực) 6.2.2 Trƣờng hợp trạm có MBA Trong lưới điện trung áp Điện lực Trị An quản lý, có trường hợp ba trạm biến áp đặt kề (như: Trạm biến áp Công Nghệ Changshin 1, 2, 3) Mỗi MBA bảo vệ LA riêng biệt, lắp đặt phía đầu cực FCO Để đánh giá hiệu bảo vệ LA cho MBA áp dụng kết nghiên cứu phần 4.2.1 Tuy nhiên, tiêu chuẩn IEEE Std C62.22.2009 khuyến cáo tùy theo cấu hình mạng phân phối, số trường hợp trang bị LA để bảo vệ cho MBA (Hình 4.3) - 73 - Hình 6.5 Sơ đồ LA bảo vệ MBA Trạm biến áp Công Nghệ Changshin nối trực tiếp vào đường trục với khoảng cách D2=3m, cịn trạm Cơng Nghệ Changshin Cơng Nghệ Changshin nối vào đường trục với điểm đấu nối Trạm biến áp Công Nghệ Changshin sau kéo dây đến trụ cách 4m, từ đấu nối xuống máy biến áp với khoảng cách thay đổi (từ 3m đến 7m) Hình 6.6 Sơ đồ mô LA bảo vệ máy biến áp - 74 - Hình 6.7: Sơ đồ mơ mạng điện ba trạm biến áp: Công nghệ Chang shin 1, 2, - 75 - Hình 6.8 Dạng sóng điện áp đầu cực MBA Cơng nghệ CS (D1=7m), Công nghệ CS (D2=3m) MBA Cơng nghệ CS (D3=8m) Hình 6.9 Dạng sóng điện áp đầu cực MBA Công nghệ CS (D1=7m), Công nghệ CS (D2=3m) MBA Công nghệ CS (D3=12m) - 76 - Hình 6.10 Dạng sóng điện áp đầu cực MBA Công nghệ CS (D1=12m), Công nghệ CS (D2=3m) MBA Công nghệ CS (D3=14m) D1 (m) D2 (m) D3 (m) VT1 (kV) 55.09 VT2 (kV) 51.04 VT2 (kV) 61.44 Nhận xét 11 55.46 50.08 72.9 Đạt 10 11 12 12 13 3 3 3 3 12 12 12 12 12 12 13 13 53.2 59.37 63.12 66.21 69.38 72.32 72.02 74.58 50.31 50.55 51.29 52.21 52.33 52.52 53.2 52.62 75.9 74.89 70.93 70.47 72.77 72.32 74.89 74.58 Không đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt 13 14 3 14 14 74.39 76.58 52.56 52.70 76.78 76.58 Không đạt Không đạt Đạt Bảng 6.2 Bảng thống kê giá trị điện áp đầu cực máy biến áp ứng với khoảng cách từ LA đến đầu cực MBA khác nhau, D2=3m khơng hay đổi, D1 D3 thay đỏi từ 7m đến 14m - 77 - 6.2.3 Nhận xét: Từ kết mô giá trị điện áp đầu cực MBA Bảng 4.2, nhận thấy:  LA đặt gần đầu cực MBA tốt giá trị điện áp đầu cực giảm theo khoảng cách lắp đặt LA  Trong trường hợp có trạm biến áp đặt gần sử dụng LA để bảo vệ cho máy trường hợp: - Trường hợp khoảng cách từ trạm bên đến LA có chênh lệch lớn, khoảng cách đầu cực MBA LA khơng vượt q 11m sử dụng LA bảo vệ cho ba MBA - Trường hợp khoảng cách từ trạm bên đến LA tương đối khoảng cách đầu cực MBA LA khơng vượt q 13m sử dụng LA bảo vệ cho ba MBA  Nếu không đảm bảo khoảng cách vị trí đặt trạm nêu phải sử dụng trạm biến áp LA để bảo vệ MBA không bị hỏng cách điện áp sét lan truyền vào trạm - 78 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Đề tài“Xây dựng mô hình chống sét van” hồn thành đạt yêu cầu đề ra: - Cấu tạo, nguyên lý hoạt động phương pháp lựa chọn chống sét van lưới trung nghiên cứu, trình bày đầy đủ Ngồi ra, mơ hình tốn mơ tả đặc tính làm việc chống sét van nhà nghiên cứu giới giới thiệu đánh giá tương đối chi tiết - Xây dựng mơ hình chống sét van trung dạng MOV theo Pinceti phần mềm Matlab tiến hành mô điện áp dư ứng với xung sét tiêu chuẩn; - Trên sở phân tích kết mô đánh giá ưu nhược điểm mơ hình Pinceti so với mơ hình Matlab cõ sẵn; - Nghiên cứu đề xuất phương án hợp lý bố trí chống sét van bảo vệ trạm biến áp phân phối điển hình Điện lực Trị An thuộc Công ty Điện lực Đồng Nai Tuy nhiên đề tài xác định biên độ đỉnh điện áp dư tương đối xác; cịn dạng sóng ngõ mơ hình mơ gần giống kết số báo, tốc độ tăng đầu sóng sóng so với thực tế chưa đánh giá chưa tìm Test Report chống sét van nhà sản xuất khơng thực mơ hình thực tế thiết bị chưa đáp ứng KIẾN NGHỊ HƢỚNG PHÁT TRIỂN TƢƠNG LAI - Tiếp tục nghiên cứu hồn thiện mơ hình Pinceti, mơ hình Matlab Đặc biệt khâu xác định thông số mơ hình - Thử nghiệm mơ với xung sét tiêu chuẩn 30/60s, 10/350s - Tiếp tục nghiên cứu tính tốn chọn vị trí lắp đặt chống sét van bảo vệ đường dây cáp bọc trung áp không, chống đứt dây cáp bọc 22kV sét TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Quyền Huy Ánh, “Giáo trình an toàn điện” NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2011 [2] Christodoulou, L Ekonomou, Mitropoulou, Vita, Stathopulos, “Surge arresters’ circuit models review and their application to a Hellenic 150 kV transmission line”, Simulation Modelling Practice and Theory 18 (2010) 836–849 [3] Reinhard Göhler, Volker Hinrichsen, “Metal-Oxide Surge Arresters in HighVoltage Power Systems”, Berlin and Darmstadt, September 2011 [4] Miloš GLASA, “The MOV computer models for thermal – electric analysis”, Journal of Electrical Engineering, Slovak University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology Ilkovičova 3, Bratislava 812 19, Slovakia [5] K P Mardira and T K Saha, “A simplified lightning model for metal oxide surge arrester”, School of Information Technology and Electrical Engineering The University of Queensland, St Lucia Campus QLD 4072 – Australia [6] Christos A Christodoulou, Fani A Assimakopoulou, Ioannis F Gonos, Ioannis A Stathopulos, “Simulation of Metal Oxide Surge Arresters Behavior”, National Technical University of Athens School of Electrical and Computer Engineering, High Voltage Laboratory Iroon Polytechniou 9, GR 15773, Zografou Campus, Athens, Greece [7] Daniel W Durbak, “Surge Arrester Modeling”, Power Technologies, Schenectady, New York [8] S Ehsan Razavi, A Babaei, “Modification of IEEE Model for Metal Oxide Arresters Against Transient Impulses Using Genetic Algorithms”, Department of Electrical, East Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 5(10):, 2011 , ISSN 1991-8178, pp 577-583 PHỤ LỤC 1.Thông số kỹ thuật Chống sét van hãng GE Thông số kỹ thuật Chống sét van EVP Ohio Brass: Thông số kỹ thuật Chống sét van hãng ABB Thông số kỹ thuật Chống sét van hãng SIEMENS Thông số kỹ thuật Chống sét van hãng COOPER ... TẮT Luận văn ? ?Xây dựng mơ hình chống sét van” sâu vào nghiên cứu mơ hình thiết bị chống sét van dạng MOV, lập mơ hình mô với phần mềm thông dụng Matlab với mong muốn xây dựng mơ hình thiết bị chống. .. tính kỹ thuật chống sét van Chƣơng 2: Cấu tạo nguyên lý làm việc chống sét van MOV Chƣơng 3: Các mơ hình chống sét van Chƣơng 4: Xây dựng mơ hình mơ Matlab Chƣơng 5: Mô so sánh mơ hình chống sét. .. TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** QCH ĐẮC TRẬN XÂY DỰNG MƠ HÌNH CHỐNG SÉT VAN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 85202101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS QUYỀN HUY