Nghiên cứu và mô phỏng ảnh hưởng của quá áp do sét trên đường nguồn hạ áp

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BAÙCH KHOA ĐỖ QUANG ĐẠO NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ ÁP DO SÉT TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP Chuyên ngành: Mạng Hệ thống điện Mã số ngành: 2.06.07 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2006 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Quyền Huy Ánh Cán chấm nhận xét 1:………………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2:………………………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…………tháng…………năm……… TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC TP HCM, ngày…………tháng…………năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên: Ngày, tháng, năm sinh: Chuyên ngành: Đỗ Quang Đạo 05-03-1980 Mạng hệ thống điện Phái: Nam Nơi sinh: Tiền Giang MSHV: 01804479 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ ÁP DO SÉT TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mở đầu Tổng quan thiết bị bảo vệ áp đường nguồn hạ áp Cấu tạo nguyên lý làm việc biến trở oxide kim loại (MOV) Xây dựng mô hình nguồn phát xung Xây dựng mô hình biến trở oxide kim loại (MOV) Khảo sát cấu tạo yếu tố ảnh hưởng đến hiệu bảo vệ thiết bị chống sét lan truyền đường nguồn hạ áp Kết luận III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: - 02 - 2006 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: - 10 - 2006 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến só Quyền Huy Ánh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH TS Quyền Huy Ánh Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến thầy cô môn Hệ Thống Điện thuộc khoa Kỹ Thuật Điện–Điện Tử dạy dỗ thời gian học cao học trường Bách khoa TP Hồ Chí Minh, đặc biệt bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc đến thầy Quyền Huy Ánh, người tận tình hướng dẫn trực tiếp để hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cám ơn bạn bè học lớp cao học K15, đồng nghiệp làm việc công ty Cho phép gửi lời cám ơn ban Giám đốc công ty tạo điều kiện tham dự lớp học Cuối xin cám ơn ba mẹ cho sức mạnh tinh thần để vượt qua khó khăn công việc học tập TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2006 Đỗ Quang Đạo TÓM TẮT NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI Theo số liệu thống kê, 70% hư hỏng sét gây lại sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng theo đường cấp nguồn đường truyền tín hiệu Nhìn chung, mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn lại trải diện rộng cung cấp điện trực tiếp cho hộ tiêu thụ nên lại nguyên nhân dẫn sét vào công trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị Luận văn sâu vào nghiên cứu tổng quan thiết bị chống áp đường nguồn hạ áp, xây dựng nguồn phát xung chuẩn, xây dựng mô hình MOV hạ thế, tính toán hệ số dự trữ, xây dựng đặc tuyến liên hệ hệ số dự trữ theo sai số điện áp ngưỡng dòng xung sét MOV hạ mắc song song, đồng thời xây dựng phương trình đặc tuyến liên hệ điện áp dư theo điện áp ngưỡng dòng xung sét MOV đơn đa khối thông dụng thị trường, bên cạnh chứng minh tính xác quan điểm cho rằng: sử dụng cảm kháng đường dây thay lọc để bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm tác dụng xung sét lan truyền Sau đây, chương 1-5 lần lược giải nội dung luận văn MỤC LỤC Chương mở đầu Đặt vấn đề Nhiệm vụ luận án Phạm vi nghiên cứu Caùc bước tiến hành Điểm luận aùn Giá trị thực tiễn đề taøi Nội dung luận án Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ QUÁ ÁP TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP 1.1 Giới thiệu 1.2 Hiện tượng độ 1.3 Tỷ lệ xuất hiện tượng độ 1.4 Hieän tượng độ tiêu biểu 1.5 Bảo vệ độ 10 1.6 Các thiết bị bảo vệ áp 11 1.6.1 Bộ lọc 11 1.6.2 Máy biến áp caùch ly 11 1.6.3 Khe hở phóng điện 12 1.6.4 Diod thaùc Silic 13 1.6.5 Biến trở oxid kim loại (MOV) 13 1.7 So sánh thiết bị bảo vệ áp phổ biến 15 1.8 Lựa chọn thiết bị bảo vệ áp 16 Chương 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI (MOV) 2.1 Cấu tạo 17 2.1.1 Giới thieäu 17 2.1.2 Cấu trúc vi mô 18 2.2 Tính hoạt động biến trở oxide kim loại (MOV) 20 2.3 Đặc tính V-I 25 2.4 Sơ đồ tương đương 26 2.4.1 Trong vùng dòng điện rò thấp < 10-4A 27 2.4.2 Trong vùng hoạt động bình thường ( 10-5 –103 A) 27 2.4.3 Trong vùng dòng điện cao (>103A) 28 2.5 Thời gian đáp ứng 28 2.6 Naêng lượng cho phép công suất tiêu tán trung bình 30 2.6.1 Năng lượng cho phép 30 2.6.2 Công suất tiêu tán trung bình 31 2.7 Ảnh hưởng nhiệt độ 32 2.8 Các đặc tính MOV hư hỏng thường gặp áp xảy 33 Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG 3.1 Các dạng xung không chu kỳ chuẩn phương trình toán chúng 35 3.2 Xây dựng mô hình nguồn phát xung 38 Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI MOV 4.1 Các mô hình MOV nghiên cứu 43 4.1.1 Mô hình điện trở phi tuyến 43 4.1.1.1 Mô hình toán 43 4.1.1.2 Cấu trúc mô hình 44 4.1.2 Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến 44 4.1.2.1 Mô hình 44 4.1.2.2 Xây dựng vòng trễ 45 4.1.2.3 Phương pháp xác định điện cảm phi tuyến 46 4.1.2.4 Chương trình tính toán thông số 46 4.1.3 Mô hình MOV Schmidt 47 4.1.4 Moâ hình MOV IEEE 48 4.1.4.1 Mô hình toán 48 4.1.4.2 Xác định thông số 49 4.1.5 Mô hình MOV Mardira 52 4.1.5.1 Mô hình đề nghị 52 4.1.5.2 Xác định thông số 52 4.1.6 Nhận xét 54 4.2 Mô hình MOV MatLab 55 4.2.1 Moâ hình 55 4.2.2 Nguyên lý làm việc mô hình 56 4.2.3 Đánh giá mô hình 57 4.3 Xây dựng mô hình MOV hạ 57 4.3.1 Cấu trúc mô hình MOV 57 4.3.2 Các khối dùng mô hình 58 4.3.3 Xây dựng mô hình điện trở phi tuyến MatLab 59 4.3.4 Xây dựng mô hình MOV hạ hoàn chỉnh MatLab 60 4.3.5 Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với xung dòng chuẩn 64 4.4 Kết luận 71 Chương 5: KHẢO SÁT CẤU TẠO VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ BẢO VỆ CỦA THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP 5.1 Phân vùng bảo vệ 72 5.2 Toång quan MOV hạ sử dụng để chế tạo thiết bị chống sét đường nguồn hạ áp 73 5.3 Các tiêu đánh giá thiết bị chống sét lan truyền 73 5.4 MOV đơn khoái 74 5.4.1 Phương pháp bình phương nhỏ 74 5.4.1.1 Dạng hàm bậc 74 5.4.1.2 Dạng hàm bậc hai 75 5.4.2 Mô đo lường điện áp dư MOV đơn khối 76 5.5 MOV đa khối 89 5.5.1 Hệ số dự trữ 89 5.5.2 Mô đo lường điện áp dư MOV đa khối 100 5.6 Đánh giá ưu nhược điểm MOV đơn đa khối chống sét lan truyền đường nguồn hạ áp 106 5.7 Đánh giá tác dụng lọc sét cảm kháng đường dây 108 5.7.1 Đặt vấn đề 108 5.7.2 Xác định mô hình thử nghiệm 108 5.7.3 Mô đánh giá 108 5.7.3.1 Mô 108 5.7.3.1.1 Mô không sử dụng lọc sét 109 5.7.3.1.2 Mô sử dụng lọc sét 112 5.7.3.2 Ñaùnh giaù 120 Chương kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục Thông số kỹ thuật MOV hạ PL1 Phụ lục Kết mô MOV mắc song song Matlab .PL2 Phụ lục Tiêu chuẩn Úc PL3 Chương mở đầu CHƯƠNG MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Việt Nam nước nằm khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt Nam thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển dông sét Số ngày dông có Việt Nam toàn khu vực thuộc loại lớn Trong mạng điện, điện áp trình độ sét đánh nguyên nhân chủ yếu gây cố lưới điện làm hư hỏng thiết bị lắp đặt lưới Nên việc đề giải pháp chống sét, lựa chọn, phối hợp thiết bị bảo vệ phù hợp nghiên cứu chế tạo thiết bị chống sét đóng vai trò quan trọng Hiện chống sét trực tiếp quan tâm tương giải pháp từ cổ điển đến đại Tuy nhiên, số liệu thống kê 70% hư hỏng sét gây lại sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng theo đường cấp nguồn đường truyền tín hiệu Bên cạnh việc nghiên cứu chống sét đánh trực tiếp, việc nghiên cứu chống sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng đường nguồn đóng vai trò quan trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ chống điện áp sét phù hợp Nhìn chung, mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn lại trải diện rộng cung cấp điện trực tiếp cho hộ tiêu thụ nên lại nguyên nhân dẫn sét vào công trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị Thống kê cho thấy, hậu không mong muốn áp sét lan truyền mạng phân phối hạ áp gây thiệt hại lớn nhiều lúc đánh giá cụ thể Vấn đề đề cập cách cấp bách năm gần trang thiết bị điện tử trở thành thiết bị sử dụng ngày nhiều phổ biến tòa nhà, công trình lãnh vực bưu viễn thông, phát thanh, truyền hình, công nghiệp… Các thiết bị vốn nhạy cảm với điện áp cách điện dự trữ chúng mong manh cần phải tính toán lựa chọn, phối hợp kiểm tra thiết bị bảo vệ chống áp cách hiệu quả, xác để tránh xảy hư hỏng cho thiết bị Do thiết bị chống áp thiết bị phi tuyến việc đánh giá đáp ứng ngõ ứng với sóng sét lan truyền với mức xác cao theo phương pháp giải tích truyền thống gặp nhiều khó khăn Bên cạnh đó, nước ta bị hạn chế trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phòng thí nghiệm cao áp khiêm tốn nên khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống áp sét lan truyền Việt Nam Tuy nhiên, ngày nay, với phát triển kỹ thuật mô hình hoá mô giúp cho hiểu biết thêm tương tác yếu tố cấu thành hệ thống toàn hệ thống, đặc biệt hữu ích cho việc mô sét Trang Chương mở đầu Hiện nay, nhà nghiên cứu số nhà sản xuất thiết bị chống áp sét lan truyền đường nguồn hạ áp số phần mềm mô hỗ trợ đề mô hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết quan điểm xây dựng mô hình khác Tuy nhiên, đặc điểm phương pháp mô hình hoá mô yêu cầu mức độ xác, mức tương đồng cao mô hình nguyên mẫu, phương pháp xây dựng mô hình mô thiết bị chống sét lan truyền nhiều tranh cãi tiếp tục nghiên cứu phát triển Luận văn sâu vào nghiên cứu mô hình thiết bị chống áp sét đường nguồn hạ áp, sau sử dụng phần mềm mô đánh giá hiệu bảo vệ hệ thống chống áp Kết nghiên cứu cung cấp công cụ mô hữu ích cho nhà nghiên cứu, giảng viên, sinh viên trường đại học việc nghiên cứu đáp ứng thiết bị chống áp tác động xung sét lan truyền đánh giá hiệu hệ thống bảo vệ chống áp sét lan truyền Nhiệm vụ luận án Nghiên cứu cấu tạo xây dựng mô hình thiết bị biến trở oxide kim loại MOV (Metal Oxide Varistor) Xây dựng số mô hình nguồn xung dòng áp không chu kỳ tiêu chuẩn Mô đánh giá hiệu bảo vệ MOV Tính toán hệ số dự trữ, xây dựng đặc tuyến liên hệ hệ số dự trữ theo sai số điện áp ngưỡng dòng xung sét MOV hạ mắc song song Xây dựng phương trình liên hệ điện áp dư theo điện áp ngưỡng dòng xung sét MOV hạ đơn đa khối thông dụng thị trường Xây dựng đặc tính liên hệ điện áp dư theo điện áp ngưỡng dòng xung sét MOV hạ đơn đa khối thông dụng thị trường Chứng minh tính xác quan điểm cho rằng: sử dụng cảm kháng đường dây thay lọc để bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm tác dụng xung sét lan truyền Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu cấu tạo tính thiết bị chống áp sét lan truyền đường nguồn hạ áp Mô hình hoá mô thiết bị chống áp sét lan truyền đường nguồn hạ áp Trang Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 94: Dòng qua MOV1, MOV2, MOV3, MOV4, MOV5, MOV6, MOV7, MOV8, MOV9, MOV10, MOV11, MOV12, MOV13, … vaø MOV21 mô sử dụng 21 MOV-8KA (TOL = ±6%) với xung 100KA 8/20μs Phụ lục Trang184 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 95: Dòng áp mô hình MOV hạ mô sử dụng 21 MOV-8KA (TOL = ±5%) với xung 100KA 8/20μs Phụ lục Trang185 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 96: Doøng qua MOV1, MOV2, MOV3, MOV4, MOV5, MOV6, MOV7, MOV8, MOV9, MOV10, MOV11, MOV12, MOV13, … vaø MOV21 mô sử dụng 21 MOV-8KA (TOL = ±6%) với xung 100KA 8/20μs Hình 97: Sơ đồ mô đáp ứng 23 MOV-8KA Phụ lục Trang186 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 98: Dòng áp mô hình MOV hạ mô sử dụng 23 MOV-8KA (TOL = ±7%) với xung 100KA 8/20μs Phụ lục Trang187 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 99: Doøng qua MOV1, MOV2, MOV3, MOV4, MOV5, MOV6, MOV7, MOV8, MOV9, MOV10, MOV11, MOV12, MOV13, … vaø MOV23 mô sử dụng 23 MOV-8KA (TOL = ±7%) với xung 100KA 8/20μs Hình 100: Sơ đồ mô đáp ứng 26 MOV-8KA Phụ lục Trang188 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 101: Dòng áp mô hình MOV hạ mô sử dụng 26 MOV-8KA (TOL = ±8%) với xung 100KA 8/20μs Phụ lục Trang189 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 102: Doøng qua MOV1, MOV2, MOV3, MOV4, MOV5, MOV6, MOV7, MOV8, MOV9, MOV10, MOV11, MOV12, MOV13, … vaø MOV26 mô sử dụng 26 MOV-8KA (TOL = ±8%) với xung 100KA 8/20μs Phuï luïc Trang190 Phuï luïc 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 103: Sơ đồ mô đáp ứng 29 MOV-8KA Hình 104: Dòng áp mô hình MOV hạ mô sử dụng 29 MOV-8KA (TOL = ±9%) với xung 100KA 8/20μs Phụ lục Trang191 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Phụ lục Trang192 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 105: Dòng qua MOV1, MOV2, MOV3, MOV4, MOV5, MOV6, MOV7, MOV8, MOV9, MOV10, MOV11, MOV12, MOV13, … MOV29 mô sử dụng 29 MOV-8KA (TOL = ±9%) với xung 100KA 8/20μs Hình 106: Sơ đồ mô đáp ứng 32 MOV-8KA Hình 107: Dòng áp mô hình MOV hạ mô sử dụng 32 MOV-8KA (TOL = ±10%) với xung 100KA 8/20μs Phụ lục Trang193 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Phụ lục Trang194 Phụ lục 2: Kết mô MOV mắc song song Hình 108: Dòng qua MOV1, MOV2, MOV3, MOV4, MOV5, MOV6, MOV7, MOV8, MOV9, MOV10, MOV11, MOV12, MOV13, … MOV32 mô sử dụng 32 MOV-8KA (TOL = ±10%) với xung 100KA 8/20μs Phụ lục Trang195 Phụ lục 3: Tiêu chuẩn Úc Phụ lục TIÊU CHUẨN ÚC I Tiêu chuẩn khoảng cách lắp triệt áp tòa nhà Phụ lục Trang196 Phụ lục 3: Tiêu chuẩn Úc II Dạng chuẩn nguồn dòng nguồn áp Phụ lục Trang197 TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Đỗ Quang Đạo Phái: Nam Ngày tháng năm sinh: 05-03-1980 Nơi sinh: Tiền Giang Địa liên lạc: Phòng kỹ thuật, Công ty TNHH Hưng Giang, Số 367-Sư Vạn Hạnh, Phường 12, Quận 10, Tp HCM Quá trình đào tạo: - Từ năm 1998-2003, học khoa điện, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh - Từ năm 2004-2006, theo học cao học ngành Mạng Hệ thống điện khoá 15, khoa điện-điện tử, trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Quá trình công tác: Từ năm 2003-2006: làm việc Phòng kỹ thuật, Công ty TNHH Hưng Giang ... 01804479 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ ÁP DO SÉT TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mở đầu Tổng quan thiết bị bảo vệ áp đường nguồn hạ áp Cấu tạo nguyên lý... đường dây thay lọc để bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm tác dụng xung sét lan truyền Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu cấu tạo tính thiết bị chống áp sét lan truyền đường nguồn hạ áp Mô hình hoá mô. .. ảnh hưởng đến hiệu bảo vệ thiết bị chống sét lan truyền đường nguồn hạ áp Chương kết luận Trang Tổng quan thiết bị bảo vệ áp đường nguồn hạ áp Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ QUÁ ÁP TRÊN