4.2.1 .Yêu cầu kỹ thuật
5.1. Mơ hình ống phóng điện khí GDT
5.1.2. Các loại mơ hình ống phóng khí
1. Mơ hình của Kraft
Hình 5.3 trình bày mơ hình ống phóng điện khí của Kraft, đây là mơ hình đã được phát triển đầu tiên, dùng để mô phỏng hiện tượng cháy khi xảy ra sét đánh trong hệ thống cao áp. Trong mơ hình này, nguồn áp Vbreak phát điện áp đánh thủng. Nếu điện áp bên ngoài vượt quá điện áp này, sẽ có dịng điện bắt đầu chảy, dòng này được đo bởi Vsense và ngắt công tắc S. Điện cảm L giới hạn sự tăng trưởng dịng theo thời gian. Trong đó, hồ quang được mơ hình bằng hai điện trở R1, R2 nhằm
Thời gian đáp ứng (ns) Đi ện á p phó ng đi ện (kV)
tăng trạng thái ổn định số. Mơ hình này cũng được dùng như một phương tiện trung gian của mơ hình ống phóng điện khí. Hạn chế của mơ hình này là sự triệt hồ quang của nó chỉ ổn định trong một dãy thơng số giới hạn và điện trở hồ quang không thể giảm tùy ý.
Hình 5.3. Mơ hình ống phóng khí SPICE của Kraft 2. Mơ hình của Larsson 2. Mơ hình của Larsson
Mơ hình trong ATP-EMTP của ống phóng điện khí được Larsson giới thiệu lần đầu tiên. Sau đó, mơ hình này được phát triển và ứng dụng vào nhiều hệ thống khác.
Mạch tương đương của mơ hình ống phóng khí được trình bày trong Hình 5.4. Điện trở R1 là điện trở rị và tụ C1 là điện dung của khe hở, L1 là điện cảm của
dây dẫn và Rc là điện trở của công tắc. Hai thông số R1 và Rc được xác định theo
kinh nghiệm và C1 được ước lượng bằng những tính tốn trường. Điện cảm của dây dẫn khoảng 1nH/mm. Hai khối SC (khối điều khiển công tắc) và RC (khối điều
khiển điện trở) chứa mơ hình đặc tính phóng điện của khe hở.
Trong môi trường ATP-EMTP, công tắc là một bộ điều khiển TACS, công tắc loại TYPE 13 và điện trở là bộ điều khiển TACS, điện trở loại TYPE 91. Khối chứa các mã đã ghi trong ngôn ngữ MODELS, đã phát triển để dùng trong mô phỏng ATP – EMTP. Những ngõ vào khối là các điện áp nút và dòng điện nhánh của mạch điện, ngõ ra khối là một tín hiệu điều khiển đưa tới phần tử TACS.
Điện áp đánh thủng và dịng điện dập tắt sự phóng điện được mơ hình trong khối SC. Khi thời gian trễ đi qua, cơng tắc đóng lại, điện trở phụ thuộc thời gian
được mơ hình theo phương trình của Toepler là trong trong khối RC. Điện trở hồ quang được mơ hình trong khối RC.
Hình 5.4. Mơ hình ống phóng khí bằng SPICE của Larsson 3. Mơ hình ống phóng khí đề xuất 3. Mơ hình ống phóng khí đề xuất
a. Sơ đồ ngun lý ống phóng khí đơn
Mơ hình lấy ý tưởng từ mơ hình ống phóng điện của Larsson, với một số hiệu chỉnh: điện trở R1 là điện trở rị của khe hở, có giá trị khoảng 100M được nối
song song với khố đóng cắt K (), điện dung của khe hở C1 do có giá trị khoảng
2pF nên được bỏ qua, điện cảm của dây dẫn của khe hở L1 khoảng 1nH/mm chỉ có tác dụng giới hạn tăng trưởng của dòng theo thời gian nên thường được bỏ qua.
Giá trị điện trở của khe hở khi xảy ra quá trình đánh thủng phụ thuộc thời gian được mơ tả theo phương trình của Toepler trong trong khối RC được bỏ qua.
Sơ đồ tương đương của mơ hình ống phóng khí đơn được trình bày trong Hình 5.5.
Rarc SC R1 P2 p1 V (t ) Hình 5.5. Mơ hình ống phóng điện khí đề nghị
Điện áp đánh thủng là thông số của khối công tắc điều khiển SC (Switch Control). Khi điện áp đặt vào khe hở ống phóng điện khí (trên khóa đóng cắt K) đạt đến giá trị điện áp đánh thủng, một khoảng thời gian trễ được tính tốn theo cơng thức nội suy kinh nghiệm, ứng với ống phóng điện khí giá trị này vào khoảng 10- 100us tùy thuộc vào độ dốc xung quá áp (dV/dt).
Khi điện áp trên hai cực của khe hở đạt giá trị điện áp đánh thủng thì khơng phải khe hở lập tức phóng điện mà phải trải qua một khoảng thời gian trễ, khoảng thời gian trễ này còn gọi là thời gian chậm phóng điện phụ thuộc vào độ dốc của xung quá áp đặt vào.
Ở trạng thái hồ quang bùng cháy, giá trị điện áp hồ quang khá ổn định. Giá trị điện áp hồ quang điển hình cho hầu hết ống phóng điện hạ áp thường là 10-25V. Trong mơ hình được đề xuất, điện áp hồ quang được thay thế bằng giá trị điện trở hồ quang Rarc (1-2m) nối tiếp với khóa đóng cắt.
Mơ hình ống phóng điện khí ở trên đây là thiết bị hai cực với đặc tính hai chiều đối xứng. Một điều lưu ý là khóa đóng cắt của khe hở khơng khí sẽ khơng thể chuyển sang trạng thái “off” khi cường độ dòng điện giảm xuống dưới giá trị cường độ dịng điện duy trì (thường là 100 mA) hay điện áp sụt dưới điện áp phát sinh hồ quang.
Thông số của mơ hình ống phóng điện khí được xác định từ các thông số cung cấp bởi nhà sản xuất:
Điện áp đánh thủng Vbreak.
b. Xây dựng mơ hình ống phóng khí đơn
- Khối đóng cắt SC (Hình 5.6):
Khối V1 (Voltage measurement) đo điện áp ở hai điện cực của khe hở, sau
đó tín hiệu điện áp liên tục này được chuyển sang tín hiệu rời rạc (nhằm tăng tốc q trình xử lý, tránh các vịng lặp đại số) bởi khối Transfer Fcn có chu kỳ lấy mẫu là 0.001us. Tín hiệu điện áp ra của khối Transfer Fcn được lấy trị tuyệt đối qua khối
Abs và đi vào khối so sánh (Compare to Constant) để so sánh với giá trị điện áp đánh thủng Vb của khe hở. Khi điện áp ở 2 cực khe hở vượt quá giá trị điện áp đánh thủng thì ngõ ra của khối Compare to Constant sẽ xuất tín hiệu điều khiển (logic 1) đóng khóa Breaker. Tuy nhiên, trong thực tế khe hở khơng khí chỉ bị đánh thủng
sau một khoảng thời gian trễ hay cịn gọi là thời gian chậm phóng điện, do đó tín
hiệu đóng khóa Breaker được đưa qua một khối thời gian trễ (Unit delay) có thời
gian trễ là td.
Hình 5.6. Sơ đồ khối điều khiển SC
- Khối khe hở:
Sơ đồ khối khe hở trong Hình 5.5. được xem tương đương với khối Breaker, hai phần tử điện trở R1, Rarc của mơ hình được khai báo trong khối Breaker. Điện
trở rị R1 của khe hở có giá trị là 100M được khai báo trong thông số Snubber
resistance Rs, điện trở hồ quang Rarc có giá trị là 2M được khai báo trong thông số Breaker resistance Ron. Ở đây, khối Breaker sử dụng tín hiệu điều khiển đóng
cắt từ bên ngồi (External control mode), trạng thái ban đầu của khóa là trạng thái mở (thơng số Initial state bằng 0). Giao diện khối Breaker trình bày ở Hình 5.7.
Hình 5.7. Giao diện khối Breaker
- Liên kết khối điều khiển đóng cắt và khối khe hở lại thành sơ đồ mô phỏng đơn giản hóa có dạng (Hình 5.8):
Hình 5.8. Sơ đồ mơ phỏng phóng điện khí trong MATLAB
Tạo bảng khai báo thông số điện áp đánh thủng và thời gian trễ của ống phịng điện khí cần mơ phỏng bằng cách sử dụng chức năng Mask Editor.
Các thơng số của ống phóng điện khí cần khai báo trước khi tiến hành mơ phỏng (Hình 5.9):
Hình 5.9. Giao diện Mask Editor trong MATLAB
Tạo biểu tượng cho khối ống phóng khí:
Trong Icon, sử dụng hàm image (imread('GDT1.jpg')) vẽ biểu tượng GDT
cho mơ hình (Hình 5.10).
Hình 5.10. Tạo biểu tượng cho mơ hình trong MatLab
Nhấn nút Apply và lúc này mơ hình có dạng trình bày ở Hình 5.11.
Hình 5.11. Biểu tượng ống phóng khí đơn
c. Xây dựng mơ hình ống phóng khí đơi
Mơ hình ống phóng khí đơi (Dual GDT) được tạo thành từ hai mơ hình ống phóng khí đơn (Hình 5.12).
Hình 5.12. Mơ hình ống phóng khí đơi d. Kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất d. Kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất
Để kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất, tiến hành thử nghiệm với xung chuẩn 5kV 10/700us và so sánh kết quả mô phỏng điện áp dư thử nghiệm và giá trị điện áp dư cung cấp bởi nhà sản xuất.
Hình 5.13 trình bày sơ đồ cấu tạo, nguyên lý của thiết bị chống sét SLP10K1F của hãng CRITEC và Hình 5.14 trình bày dạng sóng điện áp dư ở ngõ ra của thiết bị chống sét SLP10K1F khi xung sét ngõ vào là 5kV 10/700us.
Hình 5.14. Dạng sóng điện áp dư của thiết bị chống sét SLP110K1Fứng với
xung ngõ vào 5kV 10/700us
Hình 5.15 là sơ đồ các khối mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F trong môi trường Matlab, và Hình 5.16 là dạng sóng điện áp dư của thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung ngõ vào 5kV 10/700us.
Hình 5.16. Dạng sóng điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F
ứng với xung 5kV 10/700us.
Bảng 5.1. Kết quả so sánh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung áp 5kV 10/700us.
Xung thử SLP10K1F MƠ HÌNH Sai số(%)
5kV 10/700us 330V 328,2 0.55
Nhận xét:
- Giá trị đỉnh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F GDT có sai số rất nhỏ so với giá trị điện áp dư của thiết bị SLP10K1-F cung cấp bởi nhà sản xuất vào khoảng 0,55%.
- Do mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F khơng phản ảnh đầy đủ q trình phóng điện trong chất khí nên dạng sóng dư trong hai trường hợp có sai biệt trong khoảng thời gian đầu sóng.