L ời cm ơn
Bng 1.2: Các loại thiết bị bảo vệ quá áp quá độ
Thiết Bị B o VChống Thời Gian Đáp ng Chế Độ
Tri t Xung Đi n ÁpKẹp
Năng L ng Tiêu Tán Giá 1 Khe hở phóng điện
(Spark Gap) Xung đột
biến Chậm (Crowbar) Đòn bẫy 1500V Cao Trung bình 2 ng phóng khí (Gas
Discharge Tube) Xung đột
biến Chậm (Crowbar) Đòn bẫy
496÷ 893V (Sparkove
r)
Cao Trung bình
3 Biến trở oxit kim
loại (MOV) Xung đột biến 25ns Cắt xung (Crowbar Transient Clipping) 400Vpc Thấp Trung bình thấp 4 Tụ lọc
(Capacitor Filter) Nhiễu Nhanh Phóng điện
(Cap
discharge) -
Trung
bình Thấp
5 Điốt Zener (Zener
Diode) Xung đột biến 40ps Cắt xung (Transient Clipping) 202Vpc 700Vps 82J Trung bình thấp 6 Điốt Avalanche (Avalanche Diode) Xung đột biến 5ps Cắt xung (Transient Clipping) 200Vpc 300Vps 10J÷ 2500J Rất cao
7 Thiết bị bảo vệ phối hợp các công nghệ Xung nhọn và xung đột biến Rất nhanh < 3ps Cắt xung (Transient Clipping 130Vrms 105÷ 900VA (dạng xung 100ms) Trung bình
1.3. Nhi m v của đề tƠi
Nghiên cứu cấu tạo và xây dựng mô hình thiết bị biến trở oxit kim loại MOV (Metal Oxide Varistor).
Xây dựng một số mô hình nguồn xung dòng và áp không chu kỳ tiêu chuẩn.
Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của MOV.
Tính toán hệ số dự trữ, xây dựng đặc tuyến liên hệ của hệ số dự trữ theo sai sốđiện 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 ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thếđơn và đa khối thông dụng trên thị trường.
Xây dựng đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thếđơn và đa khối thông dụng trên thị trường.
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của MOV.
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 ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường. Xây dựng
đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thếđơn và đa khối thông dụng trên thị trường.
Nghiên cứu phần mềm mô phỏng hỗ trợ.
1.5. Các b ớc tiến hành
Thu thập tài liệu từ các nguồn khác nhau như Sách báo, Tạp chí và Internet.
Tổng hợp và phân tích tài liệu.
Nghiên cứu phần mềm hỗ trợ mô phỏng.
Nghiên cứu cấu tạo thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp.
Lập mô hình phần tử MOV (Metal Oxide Varistor).
Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của MOV.
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 ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường. Xây dựng
đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thếđơn 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 sốđiện 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 ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thếđơn và đa khối thông dụng trên thị trường.
Xây dựng đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thếđơn và đa khối thông dụng trên thị trường.
1.7. Giá trị thực ti n của đề tài
Đề tài đạt được những kết quả mang tính thực tiễn như sau:
Kết quả nghiên cứu đáp ứng phần nào tính cấp bách trong công tác nghiên cứu lựa chọn, phối hợp và kiểm tra hiệu quả các thiết bị bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp một cách chính xác trong điều kiện thiếu phòng thí nghiệm hiện nay.
Cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá áp do sét lan truyền dưới tác động của xung sét lan truyền và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống quá áp đa cấp trong các công trình.
Tài liệu này sẽ giúp cho học viên hiểu sâu hơn về sự tương tác của các phần tử trong một hệ thống, đặc biệt là trong hệ thống chống quá áp do sét lan truyền. Ngoài ra, còn giúp cho người học những kinh nghiệm trong công tác thực hành lập mô hình và mô phỏng thiết bị trên các phần mềm tương tự.
1.8. Nội dung đề tƠi
Đề tài gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến trở Oxide kim loại (MOV). Chương 3: Xây dựng mô hình nguồn phát xung.
Chương 4: Xây dựng mô hình biến trở Oxide kim loại (MOV).
Chương 5: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ của thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp.
CH NG 2
C U T O VÀ NGUYểN Lụ LÀM VI C C A
BI N TR OXIT KIM LO I (MOV) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.1. Cấu t o c b n 2.1.1. Giới thi u
Biến trở oxit kim loại MOV (Metal Oxide Varistor) qua quá trình sử dụng lâu dài từ khi phát minh vào khoảng năm 1976 cho đến nay đã chứng tỏ là một thiết bị bảo vệ quá áp hoàn hảo bởi khả năng ứng dụng linh hoạt và độ tin cậy cao.
MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp với đặc tuyến V/I đối xứng (Hình 2.1), điện trở của nó sẽ giảm khi điện áp tăng kết hợp với dòng điện rò cực thấp trong vùng điện áp làm việc bình thường. Đặc tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV có tính năng khử xung quá độ đột biến hoàn hảo. Trong điều kiện bình thường biến trở là thành phần có trở kháng cao gần như hở mạch. Khi xuất hiện xung đột biến quá áp cao, MOV sẽ nhanh chóng trở thành đường dẫn trở kháng thấp để triệt xung đột biến. Phần lớn năng lượng xung quá độ được hấp thu bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch được bảo vệ tránh hư hại.
Sự phụ thuộc của dòng điện vào điện áp của MOV có thể biểu diễn qua công thức:
I= KV > 1 (2.1)
Với là số mũ phi tuyến và đặc trưng cho độ dốc của đặc tuyến V/I của MOV. Số mũ phi tuyến này càng lớn thì tính phi tuyến càng cao.
Khả năng tản dòng sét kết hợp với thời gian đáp ứng nhỏ hơn 25ns của MOV đã khiến nó trở thành một thiết bị bảo vệ quá áp gần như hoàn hảo và không thể thiếu trong hệ thống.
2.1.2. Cấu trúc vi mô
Biến trở oxit kim loại MOV (Hình 2.2) gồm một khối Ceramic đa tinh thể, với các tiếp xúc kim loại và dây nối. Oxit kẽm ZnO và oxit Bismuth, thành phần
không thể thiếu, thêm một lượng nhỏ Cobalt, Manganses và các oxit kim loại khác được pha trộn với các chất phụ gia bột được giữ độc quyền bởi các nhà sản xuất, và được nén lại, sau đó nung ở nhiệt độ từ 1000-14000C. Hỗn hợp rắn oxit
kẽm ZnO với oxit Bismuth và oxit kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên
Ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng biến trở.
Hình 2.2. Cấu tạo của MOV.
Bản thân hạt oxit kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng 15 –100m), trong khi oxit kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao. Chỉ tại các điểm oxit
kẽmgặp nhau tạonên “vi biến trở’’, tựa như hai Diode zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V. Chúng có thể mắc nối tiếp hoặc song song (Hình 2.3). Việc mắc nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn (năng lượng tiêu hao trong chất bán dẫn hầu như chỉ xảy ra trên biên P-N rất mỏng, trong khi đó đối với MOV nó phân phối trên tất cả các “vi biến trở”), MOV hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chịu được dòng xung đột biến cao.
Hình 2.3.Cấu trúc củabiến trởvà đặc tính V-I.
Mỗi một hạt ZnO của Ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt. Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như hình 2.4. Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thểxem như là một thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt. Hành vi của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của Ceramic, kích thước hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trò chính trong hành vi về điện.
Điều này đưa đến các tính chất về điện của MOV gần như được điều khiển bởi kích thước vật lý của nó:
Khi tăng bề dày của MOV 2 lần sẽ làm cho mức bảo vệ của nó cũng tăng 2 lần do số vi biến trở nối tiếp cũng tăng 2 lần.
Khi tăng tiết diện của MOV 2 lần sẽ làm cho khả năng tải dòng điện của nó cao hơn 2 lần do số đường dẫn dòng nối song song cũng tăng 2 lần.
Hình 2.4. Vi cấu trúc của Ceramic.
Cấu trúc của biến trở bao gồm một ma trận hạt dẫn ZnO tiếp xúc nhau qua
biên hạt cho đặc tính như tiếp giáp P-N của chất bán dẫn. Các hạt ZnO có kích thước trung bình là d, bề dày biến trở là D, ở hai bề mặt khối MOV được áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng. Hai phiến kim loại này lại được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài (Hình 2.2).
Điện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước của hạt ZnO. Một đặc tính cơ bản của biến trở ZnO là điện áp rơi qua biên tiếp giáp giữa các hạt ZnO gần như là hằng số, và khoảng từ (2-3,5)V. Mối liên hệ này được xác
định như sau:
Điệnáp biến trở: VN = (3,5)n (2.2)
Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d (VN d)/3,5 (2.3)
Trong đó n là số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO, d là kích thước trung
bình của hạt, VN là điện áp rơi trên MOV khi MOV chuyển hoàn toàn từ vùng dòng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên đường đặc tính V-I với dòng điện 1mA (Hình 2.10).
Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu
trúc (Hình 2.5):
Vùng I: biên có độ dày khoảng (100-1000 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3.
Vùng III: biên này có đặc tính là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO. Ngoài ra
Bi, Co và một lượng các ion oxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày
vài nm.
Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO.
2.2. Tính năng ho t động của biến trở Oxit kim lo i (MOV)
Biến trở MOV rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các oxit
ceramic đa tinh thể tùy vào vi cấu trúc của thiết bị nàyvà chi tiết quá trình xảy ra tại các biên tiếp giáp hạt ZnO. Thành phần chính của biến trở là ZnO chiếm 90% hoặc hơn nữa, còn lại là các ôxít kim loại khác. Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol- %ZnO, 1mol-% Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3,CoO, MnO, và Cr2O3.
Quá trình chế tạo biến trở MOV theo tiêu chuẩn kỹ thuật Ceramic. Các thành
phần được trộn thành hỗn hợp và xay thành bột. Hỗn hợp bột được làm khô và nén
thành hình dạng mong muốn. Sau đó các viên được vón cục ở nhiệt độ cao, cụ thể là từ 1000-14000C. Hai phiến kim loại thường là bằng bạc tiếp xúc với các hạt được vón cục bên ngoài làm điện cực và được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài, thiết bị được đóng gói bằng vật liệu trùng hợp. Quá trình có thể diễn tả theo lưu đồ
Hình 2.6, Hình 2.7 là cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói. Sản phẩm hoàn thành sau cùng được kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật. Trước khi đưa vào sử dụng, MOV phải trải qua các thử nghiệm thông thường như:
Độ bềnđối với xung vuông năng lượng cao.
Điện áp phóng điện.
Tổn hao công suất W.
Điện dung.
Kiểm tra bằng mắt.
Sau đó MOV còn phải trải qua các thử nghiệm chất lượng như:
Kiểm tra hư hỏng đối với xung vuông.
Kiểm tra chu kỳ công suất.
Kiểm tra với dòng cao.
Kiểm tra tuổi thọ,…
Hình 2.6.Lưu đồ chế tạo biến trở MOV
Một vài giá trị tiêu biểuvề kích thước của biến trở oxit kim loại được cho như sau: Điện áp biến trở (VRMS) Đường kính hạt d (m) Số hạt n (hạt) Điện trường
V/mm tại 1mA của MOV Bề dày D
(mm)
150 20 75 150 1,5 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đường kính đĩa danh định (mm): 3, 5, 7, 10, 14, 20, 32, 34, 40, 62 mm.
Hình 2.7. Cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói.
Vì cấu trúc biến trở oxit kim loại đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý của
biến trở là phức tạp hơn chất bán dẫn thông thường. Giải thích nguyên lý hoạt động
của biến trở ZnO dựa trên sự hiểu biết về hiện tượng điện xảy ra ở vùng biên tiếp giáp của các hạt oxit kẽm, một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng xuyên hầm. Tuy nhiên, tốt hơn là có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các
diode bán dẫn nối nối tiếp –song song (Hình 2.3). Cấu trúc cơ bản của khối biến trở MOV là kết quả tạo hạt ZnO. Trong suốt quá trình xử lý, sự biến đổi các thành phần hoá học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao
( = 1010-1012cm) và ngược lại bên trong hạt thì tínhdẫn điện lại rất cao (điện trở suất thấp =0,1-10cm). Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt với khoảng cách khoảng 50 đến 100nm,vùng này được biết như là vùng hẹp. Vì vậy, tại một biên hạt
có sự tồn tại vùng hẹp cả hai phía đến các hạt kế cận. Hoạt động của biến trở chính là do sự có mặt của vùng hẹp này. Bởi vì vùng này thiếu hụt các điện tửtự do, cho nên hình thành vùng hẹp (vùng nghèo) điện tích không gian trong hạt oxit kẽm tại miền gần các biên tiếp giáp của các hạt. Điều này giống như ở tiếp giáp P-N của diode bán dẫn và điện dung của lớp tiếp giáp này phụ thuộc vào điện áp đặt vào lớp tiếp giáp theo biểu thức:
N ε q ) V + V ( 2 = C 1 s b 2 (2.4)
Trong đó Vb là điện thế rào, V là điện áp đặt vào, q là điện tích điện tử, s là
hằng số điện môi của chất bán dẫn, N là mật độ hạt dẫn.
Từ mối liên hệ này, mật độ hạt dẫn của ZnO, N được xác định khoảng
2x1017/cm3.
Hình 2.8. Sơ đồ năng lượng tiếp giáp giữa hạt ZnO –biên –hạt ZnO.
các vùng hẹp các hạt dẫn trôi tự do và đây là nguyên nhân gây ra dòng điện
rò. Dòng rò được gây ra do các hạt dẫn trôi tự do qua điện trường rào thấp và được