L ời cm ơn
B ng 4.3: Thông số cho trong Catalogue của 2 loại MOV hạ thế hãng AVX
Loại Điện áp làm việc AC max. (V) Dòng điện xung 8/20s max (kA crest) Sai số của điện áp MOV (%)
Điện áp phóng điện max. với
xung 8/20s (V crest)
2kA 3kA 5kA
VE14M02750K 275 4.5 10 1000 1057 -
VE24M02750K 275 6.5 10 945 997 1110
Tiến hành thử nghiệm đáp ứng của MOV hạ thế loại VE14M02750K với các
xung dòng 8/20s có biên độ lần lượt 2kA, 3kA, đáp ứng của mô hình MOV được
trình bày trong Hình 4.16, 4.17. Thông số cần nhập vào mô hình là:
Max. AC operating Voltage (V): 275V.
Max. impulse Current (kA): 4.5kA.
Hình 4.16. Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV VE14M02750K (hãng AVX) với xung 2kA 8/20s.
Hình 4.17. Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV VE14M02750K (hãng AVX) với xung 3kA 8/20s.
Mô phỏng tương tự với MOV hạ thế loại VE24M02750K còn lại, giá trị điện áp dư cực đại của mô hình MOV hạ thế ứng với các trường hợp xung dòng 8/20s
có biên độ khác nhau được tổng hợp và so sánh với giá trị được cho trong Catalogue, sai số mô hình (tính theo công thức: mod(%) = (Vr.mod-Vr.cat)*100/Vr.cat)
được tổng hợp trong Bảng 4.4. V(v) t(µs) I(A) t(µs) t(µs) t(µs) V(v) I(A)
B ng 4.4.Điện áp dư trên mô hình MOVhạ thế của hãng AVX với xung dòng 8/20s. Điện áp dư trên MOV
(crest)
Loại MOV hạ thế của hãng AVX
VE14M02750K VE24M02750K
2kA 3kA 2kA 3kA 5kA
Theo Catalogue (V)_Vrcat 1000 1057 945 997 1110
Theo mô hình (V)_Vrmod 1000 1050 940 994 1100
Sai số (%)_mod 1.8 1,5 2,5 2,4 2
4.4. Kết luận
Qua các kết quả tổng hợp được từ việc mô phỏng đáp ứng của mô hình MOV hạ thế đối với các loại MOV của các nhà sản xuất khác nhau, nhận thấy mô hình MOV hạ thế đề nghị đã đạt mức sai số khá tốt (sai số điện áp dư trên mô hình MOV so với dữ liệu được cho bởi nhà sản xuất có giá trị tối đa là 2.5%). Bên cạnh đó, thông số cần nhập vào của mô hình lại khá đơn giản, hoàn toàn được cung cấp bởi nhà sản xuất. Hơn nữa, người sử dụng còn có khả năng cập nhật thêm cho mô hình khi cần.
CH NG 5
CÁC Y U T NH H NG Đ N HI U QU B O
V C A THI T B CH NG SÉT LAN TRUY N
TRÊN Đ NG NGU N H ÁP
5.1. Phơn vùng b o v
Một trong các thông số quan trọng cần quan tâm khi thiết kế và lựa chọn thiết bị chống sét trên đường nguồn và đường tín hiệu là dạng sóng và biên độ xung sét lan truyền. Biên độ xung sét phụ thuộc vào vị trí của công trình, mức độ lộ thiên của công trình và vị trí tương quan của công trình đối với các công trình lân cận, mật độ sét tại khu vực cần bảo vệ và cấu trúc của đường dây tải điện (trên không hay đi ngầm). Dạng xung sét phụ thuộc vào cách thức sét cảm ứng lên đường dây tải điện. Xung sét cảm ứng thường là dạng sóng 8/20s và xung sét lan truyền do sét đánh trực tiếp vào đường dây thường là dạng sóng 10/350s. Tiêu chuẩn IEEE 587 chia
khu vực bảo vệ làm 5 cấp A, B, C, D và E và tiêu chuẩn IEC 1024-1/IEC 1312 chia
khu vực bảo vệ làm 4 vùng 0, 1, 2 và 3. Tương ứng với từng khu vực mà các thiết bị chống sét trên đường nguồn phải được thử nghiệm với các xung sét tiêu chuẩn tương ứng (Hình 5.1).
Khi xét đến mật độ sét tại khu vực cần bảo vệ, việc lựa chọn biên độ xung sét cực đại có thể tham khảo Bảng 5.1.
B ng 5.1.Xung sét cực đại theo vùng bảo vệ và mật độ sét.
Ng
(lần/km2/năm) Cấp A Cấp B Cấp C Cấp D Cấp E
>2 10kA 20kA 40kA 70kA 100kA 0.52 5kA 20kA 20kA 40kA 65kA
<0.5 3kA 5kA 15kA 40kA 65kA
5.2. Tổng quan v các MOV h th đang sử d ng để ch t o thi t b ch ng sét trên đ ng ngu n h áp
MOV được sử dụng rộng rãi để bảo vệ hệ thống điện và hệ thống điện tử chống lại sự quá áp dựa vào đặc tính phi tuyến thông minh của chúng. Những loại MOV hạ áp được sử dụng rộng rãi trên thị trường thường là MOV đĩa hay MOV khối có dòng định mức: 4.5kA, 8kA, 20kA, 25kA, 40kA, 70kA, 100kA với điện áp
ngưỡng là 230Vrms, 275Vrms, 320Vrms, … và sai số điện áp ngưỡng TOL =5%,
10%, 15%, 20% của rất nhiều hãng sản xuất nổi tiếng: Siemens, LPI, Erico, Littelfuse, AVX, ABB …
Hiện nay, các thiết bị cắt sét và lọc sét thường được chế tạo theo công nghệ
MOV đơn khối hay MOV đa khối. Tuy nhiên, những nhà sản xuất thiết bị chống sét thường chỉ cung cấp đặc tính V-I của các MOV hạ thế, bên cạnh đó nhà sản xuất cũng không cấp hệ số dự trữ khi sử dụng nhiều MOV đơn khối mắc song song. Do đó, người nghiên cứu tiến hành xây dựng hệ số dự trữ của MOV đa khối, xây dựng đặc tuyến và phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV đơn và đa khốiđể người sử dụng tra cứu dể dàng khi cần thiết.
5.3. Các ch tiêu chính đánh giá thi t b ch ng sét lan truy n
Dòng định mức của MOV (In), do nhà sản xuất cung cấp.
Điện áp ngưỡng của MOV (Vn), giá trị sai số điện áp ngưỡng càng nhỏ càng chính xác, thông thường các nhà sản xuất thường chế tạo MOV hạ thế có sai số điện áp ngưỡng: 5%, 10%, 15%, 20%.
Điện áp dư (Vr), giá trị điện áp dư càng nhỏ càng tốt, có ba cách xác định giá trị điện áp dư:
Giá trị điện áp dư được nhà sản xuất cung cấp (tra đồ thị hay tra bảng). Tuy nhiên, thường thì các nhà sản xuất cung cấp đồ thị ứng với dòng xung với hệ số 10 (10-5, 10-4, 10-3, 10-2, 10-1, 100, 101, 102, 103, 104A, …), điều này làm giảm độ chính xác khi xác định điện áp dư thông qua đồ thị của nhà sản xuất cung cấp và gây khó khăn cho người sử dụng trong trường hợp biên độ dòng sét nói trên ở giữa các mốc này.
Giá trị điện áp dư được công bố bởi phòng thí nghiệm qua thử nghiệm. Nhưng chi phí cao và đặc biệt ở Việt Nam chưa có phòng thí nghiệm chuyên ngành nên gây khó khăn cho người sử dụng.
Giá trị điện áp dư có được thông qua tiến hành mô phỏng, đòi hỏi người sử dụng phải biết mô phỏng điều này cũng gây khó khăn cho người sử dụng.
Do đó, người nghiên cứu xây dựng hệ số dự trữ MOV đa khối, các phương trình và đặc tuyến liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế thông dụng, tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng có thể xác định điện áp dư một cách nhanh chóng và tương đối chính xác.
5.4. MOV đ n kh i
5.4.1. Mô ph ng vƠ đo l ng đi n áp d (Vr) MOV đ n kh i
Sử dụng mô hình mô phỏng MOV đơn khối với dòng định mức: 4.5kA, 8kA, 25kA, 40kA, 70kA, 100kA với TOL = 10% trên Matlab ứng với các xung thử
8/20s với các biên độ: 1.5kA, 3kA, 4.5kA, 5kA, 8kA, 10kA, 15kA, 20kA, 25kA, 40kA, 50kA, 70kA, 100kA và các giá trị điện áp ngưỡng thông dụng: 275Vrms, 320Vrms. Tìm được phương trình và đặc tuyến liên hệ của Vr-Vn của các loại MOV hạ thế thông dụng trên thị trường.
Đầu tiên, tiến hành mô phỏng MOV đơn khối để tìm ra giá trị điện áp dư ứng với điện áp ngưỡng, sai số điện áp ngưỡng TOL = 10% và dòng xung sét.
Sau đó, từ các giá trị điện áp dư vừa tìm được, tiến hành xây dựng phương trình và đặc tuyến liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét bằng cách sử dụng công cụ Cftool trong Matlab.
Cuối cùng, từ các phương trình và đặc tuyến liên hệ vừa xây dựng, tiến hành
so sánh với đặc tuyến V-I các MOV hạ thế cho trong Catalog của hãng Siemens.
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng MOV hạ thế đơn khối.
Tiến hành thử nghiệm đáp ứng của MOV hạ thế loại VE14M02750K với các
MOV được trình bày trong Hình 5.3, 5.4 và Hình 5.5. Thông số cần nhập vào mô
hình là:
Max. AC operating Voltage (V): 275V.
Max. impulse Current (kA): 4.5kA.
Tolerance of varistor voltage (%): 10%.
Hình 5.3. Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối In = 4.5kA (TOL = 10%) với xung thử 1.5kA 8/20s.
Hình 5.4. Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối In = 4.5kA (TOL = 10%) với xung thử 3kA 8/20s.
V(v) I(A) t(µs) t(µs) I(A) t(µs) t(µs) V(v)
Hình 5.5.Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối In = 4.5kA (TOL = 10%) với xung thử 4.5kA 8/20s.
Thực hiện tương tự với các MOV hạ thế đơn khối còn lại, giá trị điện áp dư cực đại của mô hình MOV hạ thế đơn khối ứng với trường hợp dòng xung 8/20s
có biên độ và điện áp ngưỡng khác nhau được tổng hợp trong Bảng 5.2.
B ng 5.2. Bảng tổng hợp kết quả điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế đơn khối khi mô phỏng với dòng xung 8/20s với biên độ và điện áp ngưỡng khác nhau.
IđmMOV (kA) Vd (V) Vng ỡng(V) 230 275 320 4.5kA V1.5kA(V) 800 953 1123 V3kA(V) 880 1055 1250 V4.5kA(V) 956 1150 1363 8kA V3kA(V) 833 997 1180 V5kA(V) 927 1110 1315 V8kA (V) 1030 1235 1463 25kA V3kA(V) 760 915 1090 V10kA(V) 950 1159 1385 V15kA(V) 1045 1280 1535 V20kA(V) 1139 1400 1682 V25kA(V) 1216 1499 1800 40kA V3kA(V) 727 882 1036 V10kA(V) 894 1104 1287 V15kA(V) 976 1212 1409 V20kA(V) 1055 1321 1530 V25kA(V) 1122 1410 1628 V40kA(V) 1316 1676 1921 70kA V3kA(V) 691 823 975 V10kA(V) 835 990 1175 V(v) I(A) t(µs) t(µs) I(A) V(v)
V15kA(V) 907 1072 1272 V20kA(V) 977 1152 1367 V25kA(V) 1043 1223 1446 V40kA(V) 1215 1415 1674 V50kA(V) 1329 1542 1813 V70kA(V) 1550 1767 2065 100kA V3kA(V) 653 776 921 V10kA(V) 789 937 1112 V15kA(V) 862 1018 1206 V20kA(V) 929 1096 1298 V25kA(V) 997 1170 1379 V40kA(V) 1180 1365 1603 V50kA(V) 1299 1494 1749 V70kA(V) 1532 1742 2006 V100kA(V) 1885 2095 2392
Từ các giá trị điện áp dư ở Bảng 5.2, áp dụng công cụ Cftool của Matlab(dạng hàm bậc hai), xây dựng phương trình và đặc tuyến liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn khối thông dụng ứng với hệ số tương quan r, được trình bày trong Bảng 5.3.
B ng 5.3. Bảng tổng hợp phương trình liên hệ giữa điện áp dư (Vr) và điện áp ngưỡng (Vn) của MOV đơn khối.
IđmMOV
(kA)
Biên độ xung thử
(kA)
Ph ng trình liên h giữa đi n áp d vƠ đi n áp ng ỡng c a MOV đ n kh i
H s t ng
quan (r)
4.5kA
1.5kA Vdư = 0.002963.(Vngưỡng)² + 2.015.Vngưỡng + 174.9 1.0 3kA Vdư = 0.004938.(Vngưỡng)² +1.395.Vngưỡng + 297.9 1.0 4.5kA Vdư = 0.004691.(Vngưỡng)² + 1.942.Vngưỡng + 261.2 1.0 8kA
3kA Vdư = 0.004691.(Vngưỡng)² + 1.275.Vngưỡng + 291.5 1.0 5kA Vdư = 0.005185.(Vngưỡng)² + 1.47.Vngưỡng + 313.5 1.0 8kA Vdư = 0.005679.(Vngưỡng)² + 1.688.Vngưỡng + 341.4 1.0
25kA
3kA Vdư = 0.004938.(Vngưỡng)² + 0.9506.Vngưỡng + 280.1 1.0 10kA Vdư = 0.004198.(Vngưỡng)² + 2.525.Vngưỡng + 147.3 1.0 15kA Vdư = 0.004938.(Vngưỡng)² + 2.728.Vngưỡng + 156.2 1.0 20kA Vdư = 0.005185.(Vngưỡng)² + 3.181.Vngưỡng + 133 1.0 25kA Vdư = 0.004444.(Vngưỡng)² + 4.044.Vngưỡng + 50.67 1.0 40kA
3kA Vdư = -0.0002469.(Vngưỡng)² + 3.569.Vngưỡng– 80.84 1.0 10kA Vdư = -0.006667.(Vngưỡng)² + 8.033.Vngưỡng– 601 1.0 15kA Vdư = -0.00963.(Vngưỡng)² + 10.11.Vngưỡng– 839.3 1.0
20kA Vdư = -0.01407.(Vngưỡng)² + 13.02.Vngưỡng - 1195 1.0 25kA Vdư = -0.01728.(Vngưỡng)² + 15.13.Vngưỡng - 1443 1.0 40kA Vdư = -0.0284.(Vngưỡng)² + 22.34.Vngưỡng - 2320 1.0
70kA
3kA Vdư = 0.004938.(Vngưỡng)² + 0.43954.Vngưỡng + 328.7 1.0 10kA Vdư = 0.007407.(Vngưỡng)² - 0.2963.Vngưỡng + 511.3 1.0 15kA Vdư = 0.008641.(Vngưỡng)² -0.6975.Vngưỡng + 610.3 1.0 20kA Vdư = 0.009877.(Vngưỡng)² - 1.099.Vngưỡng + 707.2 1.0 25kA Vdư = 0.01062.(Vngưỡng)² - 1.362.Vngưỡng + 794.5 1.0 40kA Vdư = 0.01457.(Vngưỡng)² - 2.912.Vngưỡng + 1114 1.0 50kA Vdư = 0.01432.(Vngưỡng)² - 2.499.Vngưỡng + 1146 1.0 70kA Vdư = 0.02.(Vngưỡng)² - 5.278.Vngưỡng + 1706 1.0
100kA
3kA Vdư = 0.005432.(Vngưỡng)² - 0.009877.Vngưỡng + 367.9 1.0 10kA Vdư = 0.006667.(Vngưỡng)² - 0.07778.Vngưỡng + 454.2 1.0 15kA Vdư = 0.007901.(Vngưỡng)² - 0.5235.Vngưỡng + 564.4 1.0 20kA Vdư = 0.008642.(Vngưỡng)² - 0.6531.Vngưỡng + 622 1.0 25kA Vdư = 0.008889.(Vngưỡng)² - 0.6444.Vngưỡng + 675 1.0 40KA Vdư = 0.01309.(Vngưỡng)² - 2.498.Vngưỡng + 1062 1.0 50kA Vdư = 0.01481.(Vngưỡng)² - 3.148.Vngưỡng + 1239 1.0 70kA Vdư = 0.01333.(Vngưỡng)² - 2.067.Vngưỡng + 1302 1.0 100kA Vdư = 0.02148.(Vngưỡng)² - 6.181.Vngưỡng + 2170 1.0
Từ những phương trình liên hệ giữa điện áp dư và điện áp ngưỡng vừa xây dựng, tiến hành xây dựng đặc tuyến Vr-Vn của những MOV hạ thế thông dụng trên thị trường với dòng định mức tương ứng: 4.5kA, 8kA, 25kA, 40kA, 70kA, 100kA.
Sử dụng MOV hạ thế của hãng Siemens để kiểm tra tính chính xác của phương trình và đặc tuyến liên hệ Vn-Vrvừa xây dựng. Giá trị tra được từ đặc tuyến liên hệ giữa điện áp dư và điện áp ngưỡng vừa xây dựng so sánh với giá trị tra trong Catalogue nhà sản xuất cung cấp với sai số (tính theo công thức: (%) = (Vr.cat- Vr.đặctuyến)*100/Vr.cat ), trình bày trong Bảng 5.4.
Hình 5.6.Đặc tính Vr-Vncủa MOV hạ thế đơn khối 4.5kA, TOL = 10%.
Hình 5.8.Đặc tính Vr-Vncủa MOV hạ thế đơn khối 25kA, TOL = 10%.
Hình 5.10.Đặc tính Vr-Vncủa MOV hạ thế đơn khối 70kA, TOL = 10%.
B ng 5.4. Bảng tổng hợp thông số điện áp dư và đặc tuyến vừa xây dựng so với Catalog của nhà sản xuất và sai số.
Lo i MOV h th c a hưng Siemens (S14K230-440), IđmMOV = 4.5kA
Đi n áp d trên MOV (Vr) Đi n áp ng ỡng (Vn)
230 275 320
V1.5kA(V) theo Catalog 860 1010 1165.5
V1.5kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 841.15 985.28 1137.92
Sai s (%) 2.19 2.45 2.37
V3kA(V) theo Catalog 910 1100 1200
V3kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 896.13 1061.65 1224.74
Sai s (%) 1.52 3.49 -2.06
V4.5kA(V) theo Catalog 1000 1200 1450
V4.5kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 1030.10 1235.26 1410.45
Sai s (%) -3.01 -2.94 2.73
Lo i MOV h th c a hưng Siemens (S20K230-440), IđmMOV = 8kA
Đi n áp d trên MOV (Vr) Đi n áp ng ỡng (Vn)
230 275 320
V3kA(V) theo Catalog 810 1020 1150
V3kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 817.431 996.027 1179.078
Sai s (%) -0.91741 2.350294 -2.52852
V5kA(V) theo Catalog 920 1150 1350
V5kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 908.342 1137.32 1360.628
Sai s (%) 1.267174 1.102609 -0.78726
V8kA(V) theo Catalog 1060 1326.5 1496.5
V8kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 1096.801 1302.46 1515.004
Sai s (%) -3.47179 1.812288 -1.23649
Lo i MOV h th c a hưng Siemens (B32K230-440), IđmMOV = 25kA
Đi n áp d trên MOV (Vr) Đi n áp ng ỡng (Vn)
230 275 320
V3kA(V) theo Catalog 800 950 1139.5
V3kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 769.639 948.685 1128.136
Sai s (%) 3.795125 0.138421 0.99728
V10kA(V) theo Catalog 950 1193 1430
Sai s (%) 0.615053 -0.97339 -0.92294
V15kA(V) theo Catalog 1120 1425 1650
V15kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 1106.62 1390.953 1641.67
Sai s (%) 1.194643 2.389298 0.504848
V20kA(V) theo Catalog 1160 1450 1695.5
V20kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 1154.18 1450.55 1703.18
Sai s (%) 0.501724 -0.03793 -0.45296
V25kA(V) theo Catalog 1210 1510 1760
V25kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 1207.69 1512.363 1767.22
Sai s (%) 0.190909 -0.15646 -0.41023
Lo i MOV h th c a hưng Siemens (B40K230-440), IđmMOV = 40kA
Đi n áp d trên MOV (Vr) Đi n áp ng ỡng (Vn)
230 275 320
V3kA(V) theo Catalog 760 920 1030
V3kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 745.615 894.3175 1062.46
Sai s (%) 1.892763 2.791576 -3.15146
V10kA(V) theo Catalog 890 1165 1320
V10kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 908.247 1127.213 1338.078
Sai s (%) -2.05022 3.243562 -1.36955
V15kA(V) theo Catalog 1050 1320 1490
V15kA(V) theo đặc tuy n Vr-Vn 1035.889 1295.305 1531.636