VII. Nội dung của luận văn
3.2. Đánh giá mơ hình chốngsétvan trong Matlab
Mơ hình chống sét van trong Matlab thực chất là một điện trở phi tuyến. Đặc tuyến phi tuyến V-I của mơ hình được thành lập bởi ba đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ:
i ref i ref I I k V V 1/ (3.1)
Các giá trị ki và i được khai báo trên hộp thoại. Với mỗi đoạn khác nhau của
phương trình hàm mũ, giá trị k và sẽ khác nhau và như thế quan hệ dịng áp của mơ hình sẽ như hình 3.1
Hình 3.1 Quan hệ dịng điện –điện áp của mơ hình chống sét van 3.2.2 Hộp thoại và các thơng số cần khai báo
Hình 3.2 Hộp thoại của mơ hình chống sét van
Điện áp định mức: Vref (là điện áp quy chuẩn của một đĩa MOV}. Số đĩa trong một chống sét van: n
Dịng điện quy chuẩn trên một đĩa MOV : Iref
Đặc tuyến V-I của đoạn thứ nhất : giá trị k1 và1. Đặc tuyến V-I của đoạn thứ hai : giá trị k2 và2. Đặc tuyến V-I của đoạn thứ ba : giá trị k3 và3.
3.2.3 Nguyên lý làm việc của mơ hình
Mơ hình là một điện trở phi tuyến nên về nguyên lý cĩ chức năng giống như một nguồn dịng được điều chỉnh bởi điện áp đặt vào hai cực.
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của mơ hình
Nguyên lý làm việc của mơ hình như sau: điện áp được đưa ngõ vào của mơ hình, giá trị điện áp được lấy giá trị tuyệt đối và đưa vào ba khối Math Functionđược đặt tên lần lượt là segment1, segment2, segment3 cĩ cơng thức:
i a ref i V v p . Các tín hiệu từ đầu ra của các khối Math Function sau đĩ được đưa vào hai khối Switch1 và Switch2. Các khối này sẽ so sánh các giá trị từ segment1, segment2, segment3 với giá trị dịng điện đặt trước nhằm lựa chọn một trong ba dạng hàm mũ, sau đĩ tín hiệu được đưa tới khối nhân để chọn dấu và cuối cùng đưa giá trị của tín hiệu dịng tới ngõ ra của mơ hình.
3.2.4 Đánh giá mơ hình
Như vậy về nguyên lý, mơ hình này cĩ chức năng giống như mơ hình điện trở phi tuyến đã được đề cập ở chương hai. Dưới đây là các mạch mơ phỏng phĩng điện qua mơ hình chống sét van trong Matlab (điện áp định mức 40kV), các nguồn dịng sẽ cĩ cùng biên độ là 10kA nhưng với các dạng sĩng 8/20µs, 4/10µs và 1,2/50µs.
Hình 3.4a Mạch mơ phỏng phĩng điện qua chống sét van trong Matlab ứng với xung dịng 8/20µs – 10kA
Điện áp dư trên chống sét van Dịng qua chống sét van Hình 3.4b Giá trị điện áp dư và dịng phĩng điện qua chống sét van
Hình 3.5a Mạch mơ phỏng phĩng điện qua chống sét van trong Matlab ứng với xung dịng 4/10µs – 10kA
Điện áp dư trên chống sét van Dịng qua chống sét van Hình 3.5b Giá trị điện áp dư và dịng phĩng điện qua chống sét van
Hình 3.6a Mạch mơ phỏng phĩng điện qua chống sét van trong Matlab ứng với xung dịng 1,2/50µs – 10kA
Điện áp dư trên chống sét van Dịng qua chống sét van Hình 3.6b Giá trị điện áp dư và dịng phĩng điện qua chống sét van
Qua ba lần thử nghiệm phĩng điện với các xung dịng cĩ cùng biên độ nhưng với thời gian dịng điện đạt đỉnh khác nhau thì mơ hình chống sét van trong Matlab cho cùng giá trị điện áp dư (47,27kV) và thời gian đạt đỉnh của điện áp dư bằng với thời gian dịng đạt đỉnh. Vì vậy, mơ hình này chỉ cĩ thể dùng để mơ phỏng xung đĩng cắt vì bản thân nĩ khơng cĩ được các đặc tính đáp ứng động dùng để mơ phỏng với các xung
sét hay các xung cĩ đầu sĩng tăng nhanh mà rất quan trọng trong nghiên cứu phối hợp cách điện.
3.3 Xây dựng mơ hình chống sét van dạng MOV phụ thuộc tần số
Mơ hình chống sét van MOV dùng để đánh giá tất cả những trạng thái quá độ trong hệ thống sẽ rất phức tạp và địi hỏi cĩ nhiều mơ hình mơ phỏng, và như thế việc thực hiện mơ hình mơ phỏng một chống sét van dạng MOV sẽ rất khĩ khăn. Do vậy, bằng việc lựa chọn một mơ hình thích hợp cho bộ chống sét van MOV trong việc đánh giá điện áp quá độ là tương đối đầy đủ trong việc thành lập mơ hình mơ phỏng nĩ.
Những nghiên cứu về xung đĩng cắt đã được thực hiện bằng cách biểu diễn MOV chỉ với những đặc tính phi tuyến V-I. Tuy nhiên, MOV cĩ những đặc tính đáp ứng động rất quan trọng đối với các xung sét hay đối với xung cĩ đầu sĩng tăng nhanh. Đối với những xung dịng cĩ thời gian đầu sĩng nhanh hơn 10s, điện áp dư đặt lên chống sét van sẽ tăng lên khi thời gian đạt đỉnh dịng điện qua chống sét van giảm và điện áp dư của chống sét van đạt tới đỉnh trước khi dịng điện đạt đỉnh. Sự gia tăng điện áp dư sẽ đạt xấp xỉ 6% khi thời gian đầu sĩng của dịng điện phĩng qua giảm từ 8s xuống 1,3s. Thực tế, điện áp qua chống sét van khơng chỉ là hàm của dịng phĩng điện mà cịn là độ dốc của nĩ. Những đặc tính này, giống như đặc tính phụ thuộc tần số, địi hỏi một mơ hình phức tạp hơn so với mơ hình điện trở phi tuyến đơn giản.
Cĩ một số mơ hình được đề nghị để mơ phỏng đặc tính động này. Trong khi những mơ hình này cĩ những sự chính xác chấp nhận được thì vấn đề khĩ khăn thường gặp phải là việc tính tốn và hiệu chỉnh các thơng số của nĩ. Trong vài trường hợp việc tính tốn và hiệu chỉnh cần phải thực hiện vài thủ tục tính tốn lặp, bên cạnh đĩ các dữ liệu cần thiết từ nhà sản xuất chống sét van thì lại khơng cung cấp. Một mơ hình đơn giản hĩa bộ chống sét van ZnO đã được nghiên cứu theo mơ hình phụ thuộc tần số.
Một hiện tượng khác sẽ xảy ra khi thời gian đạt đỉnh dịng điện phĩng qua chống sét van ngắn hơn 4s đĩ là đỉnh nhọn của điện áp. Cĩ các đỉnh nhọn điện áp tại đầu sĩng của dư mà cĩ thể vượt qua điện áp dư tiếp theo của chống sét van. Biên độ của các đỉnh nhọn này tăng lên do điện cảm ký sinh trong mạch đo. Đỉnh nhọn cĩ thể cực tiểu hố bằng cách đặt bộ phận phân áp trong một mạch đo đặt đồng trục với các chống sét MOV. Khi sắp xếp các phần tử một cách tối ưu để hạn chế điện cảm kí sinh, đỉnh nhọn điện áp khơng vượt qua điện áp dư tiếp theo sau đối với dịng đặt đỉnh trong
0,5s hay hơn nữa. Do vậy, ở đây khơng đưa ra mơ hình mà sẽ làm phát sinh các đỉnh nhọn điện áp.
Luận văn này sẽ giới thiệu một mơ hình đơn giản hố của chống sét van cấp phân phối dạng MOV khơng cĩ khe hở, bên cạnh đĩ cũng đưa ra cách tiếp cận dễ hiểu, đơn giản trong việc đưa ra các thơng số của nĩ bắt đầu từ dữ liệu của nhà sản xuất.
Mục đích ở đây là trình bày một mơ hình chống sét van MOV và đề nghị một thủ tục đơn giản và hiệu quả hơn trong việc xác định thơng số. Mơ hình dựa trên mơ hình IEEE với vài điều chỉnh nhỏ để chạy chương trình nhanh hơn (tối ưu hơn). Phương pháp này trình bày chính xác đáp ứng động của chống sét van MOV. Một chương trình xác định các thơng số của mơ hình phải đạt những yêu cầu sau:
Tất cả các số liệu cho bởi nhà chế tạo.
Khơng cần tính tốn lặp để xác định các thơng số.
Đáp ứng của mơ hình phải đúng với thiết bị chống sét van MOV thực tế với các cấp điện áp khác nhau và của các nhà sản xuất khác nhau.
Yêu cầu cơ bản là làm sao tìm được một cơng cụ dùng để xác định một mơ hình MOV bắt đầu từ các số liệu cho bất kỳ. Cách giải quyết ở đây dựa trên mối quan hệ tốn học cực kỳ đơn giản giữa đặc tính làm việc của thiết bị và các thơng số của mơ hình.
Sự đúng đắn của mơ hình sẽ được thẩm định bằng cách so sánh số liệu từ các kết quả kiểm tra phĩng điện tiêu chuẩn với kết quả của các mơ hình khác được tính tốn, mơ phỏng bởi chương trình Matlab. Đặc biệt các giá trị điện áp dư tính tốn được so sánh kết quả do của nhà sản xuất và trên các Catalogue.
3.3.1 Mơ hình đề nghị
Mơ hình này lấy ý tưởng từ mơ hình IEEE với vài hiệu chỉnh nhỏ, đĩ là tụ điện C được loại bỏ khi ảnh hưởng của nĩ đến mơ hình khơng đáng kể và thêm vào một điện trở R (1M ) ở đầu vào để tránh tràn số khi mơ phỏng.
Hình 3.7 Mơ hình phụ thuộc tần số của MOV
Mơ hình trên là mơ hình phụ thuộc tần số. Với mơ hình này, đặc tính V-I phi tuyến của chống sét van được biểu diễn bằng hai điện trở phi tuyến A0 và A1 như hình 3.7. Hai phần tử điện trở này được tách ra bởi bộ lọc R-L. Với các xung đầu dốc thấp, bộ lọc này cĩ trở kháng rất nhỏ và như thế A0 và A1 xem như mắc song song nhau. Đối với xung đầu dốc cao, điện kháng bộ lọc lớn, nĩ sẽ cho dịng điện chạy qua A0 nhiều hơn A1. Và như thế A0 sẽ cĩ điện áp rơi trên nĩ lớn hơn A1 khi cĩ dịng điện xung đầu dốc chạy qua, kết quả là điện áp mơ hình sẽ tăng cao hơn. Như vậy, mơ hình sẽ phù hợp tất cả các tính chất của một chống sét van MOV.
3.3.2 Phương pháp xác định các thơng số
Việc xác định các điện trở phi tuyến (A0, A1) và các đặc tính của nĩ dựa trên các đường cong cho ở hình 2.8. Các đường cong này lấy được đường cong được đề nghị bởi IEEE và chỉ lưu ý giá trị đỉnh của điện áp dư đo được trong thí nghiệm phĩng xung dịng điện sét 10kA và được cho trong bảng sau:
I (kA) A0 (p.u) A1 (p.u)
10-5 0.833 0.652 0.1 0.974 0.788 1 1.052 0.866 3 1.108 0.922 10 1.195 1.009 20 1.277 1.091
Bảng 3.1 Đặc tính V-I của A0 và A1 (giá trị điện áp đơn vị)
Để xác định các điện cảm, cĩ thể dùng các cơng thức sau:
1/ 2 8/20 0 8/20 1 4 r T r n r V V L V V (3.1)
1/ 2 8/20 1 8/20 1 12 r T r n r V V L V V (3.2) Với:
Vn: điện áp định mức của chống sét van (kV).
Vr1/T2: điện áp dư đối với xung dịng cĩ tần số nhanh 10kA (1/T2s) (kV). Thời gian giảm xuống khơng được viết rõ ra bởi vì các nhà sản xuất cĩ thể dùng nhiều giá trị khác nhau. Điều này khơng quan trọng nếu giá trị đỉnh của điện áp dư xuất hiện trên đầu dốc của xung.
Vr8/20: điện áp dư tại xung dịng 10kA của dạng sĩng 8/20s (kV).
Các thơng số R0 và R1 được thêm vào để giải quyết vấn đề hạn chế của việc kết nối một phần tử phi tuyến với một cuộn cảm hay với một nguồn dịng khác trong Matlab. Giá trị của R0 và R1 khoảng 1M.
Các tiêu chuẩn được đề nghị để xác định các thơng số khơng đề cập đến đặc tính vật lý của chống sét van mà chỉ cần số liệu về điện. Đây là sự khác biệt so với các mơ hình khác là cần biết thêm nhiều thơng tin khác nữa để thành lập được mơ hình.
3.3.3 Phương pháp xây dựng mơ hình trong Matlab 3.3.3.1 Xây dựng mơ hình các phần tử phi tuyến A0 và A1 3.3.3.1 Xây dựng mơ hình các phần tử phi tuyến A0 và A1
Một điện trở phi tuyến cĩ đặc tính V-I như sau :
ref ref V V I i (3.3) Với:
V, i : là dịng điện và điện áp qua điện trở phi tuyến Vref : là điện áp qui chuẩn
Iref : là dịng điện qui chuẩn theo điện áp qui chuẩn
: là số mũ được xác định theo đặc tính phi tuyến (cĩ giá trị từ 10 50) Tuy nhiên ở đây sẽ thành lập hai mơ hình điện trở phi tuyến A0 và A1 với các giá trị đặc tính phi tuyến được cho ở bảng 3.1 ( thu được từ đường cong đặc tuyến V-I như hình 2.8).
Mơ hình điện trở phi tuyến A0 và A1, được xem như một khối “Controlled Current Source” với dịng điện i là một hàm phi tuyến theo điện áp u.
Hình 3.8 Sơ đồ thiết kế phần tử phi tuyến A0
(Hình 3.8 là sơ đồ 2 mạch trong Power system Blockset để mơ phỏng A0. Phần tử phi tuyến được mắc nối tiếp với một nguồn điện áp )
Nhĩm tất cả các phần tử được dùng để thành lập một điện trở phi tuyến ở hình 4.8 lại và đặt tên là A0. Hai đầu của phần tử được đặt tên là In và Out.
Phần tử phi tuyến dùng 2 khối của thư viện Powerlib và hai khối của thư viện
Simulink. Hai khối của Powerlib đĩ là “Voltage measurement” để ghi lại điện áp ở hai cực của phần tử phi tuyến và một khối “Controlled Current Source” để chuyển tín hiệu
Simulink từ khối “Look-Up Table” thành tín hiệu dịng điện. Hai khối của Simulink là khối “FCN” từ thư viện “FCN & Table” để chuyển tín hiệu điện áp liên tục sang rời rạc đưa vào khối “Look-Up Table” để xử lý tín hiệu điện áp đưa vào. Khối “Look-Up Table” cĩ chức năng chuyển giá trị điện áp đưa vào và cho ra giá trị dịng điện tương ứng. Khối “FCN” cĩ chức năng làm cho thuật tốn trên máy tính được giải nhanh hơn để tránh vịng lặp đại số trong mạch. Hàm chuyển đổi bậc nhất: 1 1 Ts s
H( ) cĩ hằng số thời gian (chu kỳ lấy mẫu) là 0,01s.
Dùng các khối trong thư viện Powerlib và Simulink xây dựng được một sơ đồ như hình 3.8. Để tính dịng điện i = f(u), theo bảng 3.1, khai báo trong khối “Look-Up Table” như sau:
Vector of Input Values (u) : [0.833 0.974 1.052 1.108 1.195 1.277]xV_lightning
(giá trị điện áp đơn vị nhân với giá trị điện áp dư trên chống sét van tại dịng phĩng điện 8/20µs 10kA-đơn vị kV)
Vector of Output Values (i) : [10-5 0.1 1 3 10 20]x1000 (đơn vị kA)
Phần tử A1 cũng được xây dựng tương tự như trên, dịng điện i = f(u) được khai báo trong khối “Look-Up Table” như sau:
Vector of Input Values (u) : [0.652 0.788 0.866 0.922 1.009 1.091]xV_lightning
Vector of Output Values (i) : [10-5 0.1 1 3 10 20]x1000 Như thế khối phần tử phi tuyến A0 và A1 đã được tạo xong.
3.3.3.2 Xây dựng mơ hình chống sét van MOV hồn chỉnh
Như thế một mơ hình chống sét van đã được tạo nên (hình 3.7). Nhưng mơ hình này chỉ dùng để mơ phỏng với một cấp chống sét van MOV nhất định, mỗi khi cần thực hiện mơ phỏng cho một chống sét van cĩ cấp điện áp khác phải thực hiện khai báo tính tốn lại giá trị cho L0, L1, A0, và A1. Để thuận tiện cho việc mơ hình mơ phỏng tất cả các chống sét van cĩ các cấp điện áp khác nhau và của các hãng khác nhau, thì phải tạo một biểu tượng cho nĩ kèm theo hộp thoại để đưa vào các thơng số định mức của chống sét van (giống như các phần tử trong Power System Blockset).
Hình 3.9 Mơ hình chống sét van (Arrester-MOV) và mạch điện mơ phỏng phĩng điện
3.3.3.3 Tạo một biểu tượng riêng cho mơ hình
Khai báo các giá trị nhập
Chọn khối chống sét van, vào trong thư mục Edit, chọn Mask Subsystem. Hộp thoại “Mask Editor” sẽ hiện ra như hình 3.10.
Chọn thanh Documentation, trong mục “Mask Type”, đánh dịng: Arrester –MOV
Hình 3.10 Thanh Documentation trong cửa sổ Mask editor
Chọn thanh Parameters, những thơng số cần đặt là: điện áp định mức (Vn), điện áp dư của chống sét van tại xung sét cĩ trị số dịng điện là 10kA (V_lightning) và điện áp dư tại xung đầu sĩng tăng nhanh cĩ trị số dịng điện 10kA (V_fastfront).
- Trong mục Prompt, đánh dịng:
Arrester rated voltage (kV)
- Trong mục Variable, đặt tên biến như sau: Vn
- Lặp lại các bước trên để định nghĩa các giá trị trong hộp thoại của mơ hình tương ứng các biến là : V_lightning và V_fastfront
Hình 3.11 Thanh Parameters trong Mask editor
Chọn thanh Initialization, viết các dịng lệnh sau để xác định giá trị L1, L0.
L1=Vn*(V_fastfront-V_lightning)/(4*V_lightning*10^6); L0=Vn*(V_fastfront-V_lightning)/(12*V_lightning*10^6);
Hình 3.12 Thanh Initialization trong Mask editor
Nhấn nút OK để đĩng cửa sổ Mask Editor. Nhấp kép vào biểu tượng mơ hình chống sét van. Hộp thoại của nĩ sẽ mở ra và chờ nhập các thơng số vào.