Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo chuyên ngành tin học Nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trong matlab-simulink để bảo vệ chống quá điện áp cho thiết bị điện
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh TuấnMỞ ĐẦU1. Lý do chọn đề tàiQuá điện áp khí quyển và quá điện áp do các sự cố trong hệ thống điện có thể lớn hơn điện áp thí nghiệm xung của cách điện, dẫn đến gây chọc thủng cách điện, phá hoại thiết bị quan trọng như tụ bù dọc, kháng bù ngang và máy biến áp. Thiết bị CSV được sử dụng để bảo vệ các thiết bị nói trên với mục đích là luôn giới hạn điện áp trên các đầu cực thiết bị được bảo vệ ở dưới mức điện áp an toàn của thiết bị.Sự phát triển của HTĐ và yêu cầu chất lượng điện năng ngày càng cao, làm cho vấn đề bảo vệ chống quá điện áp cho các thiết bị điện được quan tâm từ lâu và ngày càng cao cùng với sự cần thiết của các thiết bị chống sét đến việc vận hành an toàn, tin cậy của hệ thống cung cấp điện.Nghiên cứu chống sét đánh lan truyền từ đường dây vào trạm biến áp hay cảm ứng trên đường dây tải điện cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị bảo vệ cho phù hợp.Để thực hiện bảo vệ chống sóng truyền vào trạm biến áp, trong hệ thống điện chúng ta dùng rất nhiều CSV, do thiết bị chống sét là thiết bị phi tuyến, cho nên việc đánh giá các đáp ứng ngõ ra ứng với các dạng xung sóng sét lan truyền từ đường dây vào trạm theo phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn. Phương pháp hiệu quả để thực hiện việc đánh giá một cách trực quan là mô hình hóa và tiến hành mô phỏng đáp ứng của chúng.Hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu và sản xuất thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây đã đi sâu nghiên cứu và đề ra các mô hình thiết bị chống sét với mức độ chính xác cao, các quan điểm xây dựng mô hình cũng khác nhau. Mặt khác một số phần mềm mô phỏng cũng đã hổ trợ trong việc xây dựng mô hình các thiết bị chống sét. Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hóa và mô phỏng là có yêu cầu về mức độ chính xác, mức độ tương đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu của đối tượng, các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các phần tử chống sét lan truyển vẫn còn nhiều tranh cãi và được tiếp tục nghiên cứu để phát triễnViệc nghiên cứu lập mô hình và tiến hành mô phỏng thiết bị CSV dạng MOV, nhận tín hiệu xung không chu lỳ ngõ vào từ đó cho các đáp ứung ở ngõ ra gần như thực tế, qua đó cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho sinh viên trong việc nghiên cứu SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 1 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấncác hành vi và đáp ứng thiết bị CSV dưới tác dụng của xung sét. Đồng thời cũng làm công cụ để lựa chọn, kiểm chứng, phát triển và áp dụng mô hình.2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứuĐề tài đề xuất việc sử dụng mô hình CSV trong Matlab-Simulink để nghiên cứu sự làm việc của CSV bảo vệ cho các thiết bị điện, đồng thời đề xuất việc lựa chọn các thông số, số lượng của CSV cần đặt nhằm bảo vệ cho các thiết bị điện và cả CSV. Đồng thời đề tài cũng đề xuất việc mô hình hóa thiết bị CSV để phục vụ nghiên cứu bảo vệ máy điện khi có quá điện áp khí quyển.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứuĐối tượng nghiên cứu của để tài là nghiên cứu cấu tạo, tính năng kỹ thuật, các mô hình mô tả các đặc tính làm việc, xây dựng mô hình mô phỏng và tiến hành mô phỏng đáp ứng của các loại chống sét van MOV, từ đó đánh giá chính xác, lựa chọn và phát triển mô hình, sử dụng vào trong việc nghiên cứu tác dụng bảo vệ và phối hợp cách điện cho TBA, tụ bù dọc, kháng bù ngang.4. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp mô hình hóa trong Matlab-Simulink và mô phỏng CSV dưới tác dụng của các dạng xung sét không chu kỳ.5. Đặt tên đề tàiCăn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đề tài được đặt tên:“NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRONG MATLAB-SIMULINK ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP CHO THIẾT BỊ ĐIỆN”6. Bố cục của đề tàiĐề tài gồm những nội dung chính sau:Chương 1: Cấu tạo, nguyên lý làm việc và tính năng kỹ thuật của chống sét van MOVChương 2: Công cụ Matlab-Simulink trong mô phỏng hệ thống điệnChương 3: Mô phỏng quá trình hoạt động của CSV bảo vệ quá điện áp cho tụ bù dọc và kháng bù ngang.Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng chống sét van MOV và áp dụng mô hình mô phỏng CSV bảo vệ trạm biến ápSVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh TuấnCHƯƠNG 1CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV 1.1. Cấu tạoCSV dạng MOV là thiết bị có điện trở phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp đặt vào mà hành vi về điện giống như 2 diode đấu ngược lại (back-to-back). Với đặc tính đối xứng, đặc tính vùng đánh thủng rất dốc cho phép MOV có tính năng khử xung quá độ đột biến hoàn hảo hình 1.1. 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 thụ bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch được bảo vệ tránh hư hại.Hình 2.1 Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-IThành phần cơ bản của biến trở là ZnO với thêm một lượng nhỏ bismuth, cobalt, manganses và các ôxit kim loại khác. Cấu trúc của biến trở bao gồm một ma trận hạt dẫn ZnO nối qua biên hạt cho đặc tính tiếp giáp P-N của chất bán dẫn. Các biên này là nguyên nhân làm cho biến trở không dẫn ở điện áp thấp và là nguồn dẫn phi tuyến khi điện áp cao.SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh TuấnMỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của hạt. Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như hình 1.2. Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thể xem như là một thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt. Hoạt động của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của ceramic, kích thước hạt và phân bổ kích thước hạt đóng vai trò chính trong hành vi về điện .Hình 1.2. Vi cấu trúc của MOV Hỗn hợp rắn ôxit kẽm với ôxyt 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. Bản thân hạt ôxyt kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng 15-100 µm), trong khi các ôxyt kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao. Chỉ tại các điểm ôxyt kẽm gặp nhau tạo nên “vi biến trở”, tựa như hai diode zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V. Chúng có thể nối nối tiếp hoặc song song. Việc nối 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, hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chịu được dòng xung đột biến tăng cao.MOV được chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong thành phần ceramic. 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 dược hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài (hình 2.3).SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh TuấnHình 1.3 Vi cấu trúc của MOVĐiện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước cả 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, khoảng từ (2-3,5V). Mối liên hệ này được xác định như sau:Điện áp biến trở: VN = 3,5.n (1.1)Bề dày của biến trở: 5,3)1(dVdnDN=+= (1.2)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 chuyển hoàn toàn từ vùng dòng rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên vùng đặc tính V-I với dòng điện 1mA.Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp. Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (hình 2.4):Vùng I: Biên có độ dày khoảng (100-1000 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3.Vùng II: Biên có độ mỏng khoảng (1-200 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 ôxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày vài nanomet.SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh TuấnHình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO1.2. Tính năng hoạt động của biến trở ZnOBiến trở ZnO là rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các ôxyt ceramic đa tinh thể tùy vào vi cấu trúc của thiết bị này và chi tiết quá trình xảy ra tại các biên tiếp hạt ZnO. Thành phần chính của biến trở là ZnO chiếm 90% hoặc hơn nữa, còn lại là các ôxyt kim loại khác. Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol-%ZnO, 1mol-%Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3, Cô, MnO, Cr2O3.Quá trình chế tạo biến trở ZnO 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 loaị 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. Sản phẩm được hoàn thành sau cùng được kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật. Quá trình được diễn tả theo lưu đồ hình 2.5.SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh TuấnGiá trị tiêu biểu kích thước biến trở ôxyt kim loại được cho bảng 2.1:Điện áp biến trở (V rms) D( µm ) N (hạt) Điện trường V/mm tại 1mABề dày của MOV(mm)150 20 75 150 1,525 80 12 39 1,0Bảng 2.1. Kích thước biến trởĐường kính đĩa danh định bảng 2.2.Đường kính đĩa danh định -mm 3 5 7 10 14 20 32 34 40 62Bảng 2.2. Đường kính danh địnhLưu đồ chế tạo MOV hình 2.5Hình 2.5.Lưu đồ chế tạo biến trở ZnOCấu trúc biến trở oxyt kim loại là đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý 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 ôxyt kẽm, một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng xuyên hầm. Tuy nhiên, có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các diode bán dẫn nối tiếp-song song (hình 2.1). Cấu trúc cơ bản của khối biến trở ZnO là kết quả tạo hạt ZnO. Trong suốt quá trình xử lý, sự biến đổi các thành phần hóa học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao ( ρ=1010 -1012Ωcm ), bên trong các hạt tính dẫn điện rất cao( ρ=0.1-10Ωcm ). Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt khoảng 50-100nm, vùng này được biết như là vùng hẹp. SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh TuấnVì 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 tử tự do, trong hạt ôxyt 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 lớp tiếp giáp theo biểu thức : NqVVCSbε)(212+= (1.3) Vb: điện thế ràoV: điện áp đặt vàoq: điện tích điện tửε : hằng số điện môi của chất bán dẫn N: mật độ hạt dẫn được xác định khoảng 2x1017/cm3Dòng rò được gây ra do các hạt dẫn trôi tự do qua điện trường rào thấp và được kích hoạt bởi nhiệt độ ít nhất là trên 250C.Trên hình 1.6, sơ đồ năng lượng của ZnO- biên tiếp giáp-ZnO. Điện áp phân cực thuận VL phía bên trái của hạt, điện áp phân cực ngược VR phía bên phải của hạt. Độ rộng vùng nghèo là XL và XR, độ lớn điện thế rào tương ứng là ΦL và ΦR. Điện thế phân cực tại gốc là Φo, khi điện áp phân cực gia tăng ΦL giảm, ΦR tăng dẫn đến điện thế rào thấp hơn và sự dẫn điện được gia tăng.SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh TuấnHình 1.6. Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO- biên –ZnO.Độ lớn điện thế rào ΦL của biến trở là một hàm theo điện áp (hình 1.7). Sự giảm nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tương ứng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi tuyến.Ở vùng dẫn cao, giá trị điện trở tùy thuộc vào tính dẫn điện của các hạt bán dẫn ZnO, ở vùng dẫn này mật độ hạt dẫn khoảng từ 1017 -1018cm3. Điện trở suất của ZnO có giá trị dưới 0,3 Ωcm.Hình 1.7.Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vàoSVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Đoàn Anh Tuấn1.3 Đặc tính V-IĐặc tính V-I của MOV như hình 2.8, đặc tính V-I được biểu diễn bằng phương trình hàm mũ:I = K.Vαα > 1 (1.4)Trong đó :I là dòng qua biến trởV điện áp đặt lên biến trởK hệ số phụ thuộc vào loại biến trở α là hệ số phi tuyến Nguyên lý bảo vệ của biến trở thể hiện qua điện áp phụ thuộc giá trị điện trở:αα−===11VKKVVIVR (1.5) Từ (1.4) và (1.5) suy ra:logI = logK + αlogV (1.6)logR = log(1/K) + (1-α)logV (1.7)Theo đề nghị của Marned Holzer và Willi Zapsky, xấp xỉ hóa đặc tính V-I của biến trở được biểu diễn theo phương trình:logV = B1 + B2log(I) + B3e-log(I) + B4e-log(I) (1.8)V = 10logV = 10B1 + B2log(I) + B3e-log(I) + B4e-log(I) (1.9)Hình 1.8. Đặc tính V-I của MOVSVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 10 [...]... phối hợp cách điện, độ bền của cách điện thiết bị được xem như các giá trị BIL là tương đương cho tất cả các phóng điện xung Khi xây dựng các thiết bị cách điện khô có cùng trị số BIL như thiết bị loại cách điện dầu cho cùng một điện áp vận hành là không thực tế Do đó, vấn đề phối hợp cách điện đối với thiết bị loại khô gặp khó khăn hơn so với thiết bị loại dầu Để bảo vệ áp cho thiết bị loại này phải... thường điện áp định mức của một thiết bị là giá trị điện áp được đặt liên tục lên thiết bị mà vẫn đảm bảo được tính năng của nó, trong nhiều trường hợp CSV không phải là như vậy Theo IEC: Điện áp định mức của chống sét là giá trị hiệu dụng cho phép tối đa của điện áp tần số công nghiệp đặt vào hai cực chống sét mà tại đó công suất được thiết kế để vận hành đúng ở các điều kiện được thiết lập trong các... có điện áp dư cao nhất do đó gây nên điện áp cao đặt lên thiết bị tương ứng với một xung đầu vào cho trước Các CSV trung gian được xác định có điện áp định mức từ 3kV đến 120 kV Loại CSV có đặc tính bảo vệ tốt hơn CSV phân phối Tính năng an toàn áp lực thực sự rất cần thiết dù rằng vài loại CSV trung gian đặc biệt dùng bảo vệ hệ thống cáp ngầm không có thiết bị an toàn áp lực CSV dùng cho trạm có điện. .. Biên hạn bảo vệ đầu sóng tương đương (PM1) PM 1 = CWW −1 FOW CWW : là điện áp chịu đựng sóng cắt ngọn của thiết bị FOW : Là mức bảo vệ của chống sét đối với điện áp dư đầu sóng 1.6.9.2 Biên hạn bảo vệ xung thiết bị (PM2) PM 2 = SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT BIL −1 LPL Trang: 22 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đoàn Anh Tuấn BIL: Mức cách điện cơ bản của thiết bị LPL: là điện áp phóng ở dòng xung sét được... cho trạm có điện áp dư nhỏ nhất do đó điện áp đặt trên thiết bị khi xảy ra phóng điện sẽ thấp và như thế sẽ cung cấp mức bảo vệ cao nhất Theo tiêu chuẩn, loại này có định mức từ 3 kV đến 648 kV và phải có tính năng an toàn áp lực Đối với CSV dùng để ngăn ngừa không cho điện áp tăng lên quá cao ở các thiết bị được bảo vệ, phải phối hợp với các mức chịu đựng xung cơ bản BIL của thiết bị đó Nghĩa là quy... chịu quá áp của thiết bị và đảm bảo cho CSV hoạt động tốt trong giới hạn cách điện của thiết bị SVTH: Nguyễn Hồ Sĩ Hùng– Lớp: 05DHT Trang: 14 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS Đoàn Anh Tuấn Hình 1.12.Chức năng phối hợp cách điện của CSV Hiện nay có hai tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến để thiết kế chống sét là IEC và ANSI Một số thuật ngữ cơ bản được sử dụng như sau: 1.6.1 Điện áp định mức (Ur) Thông thường điện. .. nhiều chống sét ghép lại là tổng số của các điện áp quy chuẩn thành phần Theo ANSI: Điện áp quy chuẩn là giá trị đỉnh thấp nhất của điện áp tần số công nghiệp của cực độc lập chia cho 2 , được yêu cầu tạo ra thành điện trở của dòng điện bằng dòng quy chuẩn của chống sét Điện áp quy chuẩn của một tổ hợp gồm nhiều chống sét ghép nối tiếp là tổng số của các điện áp quy chuẩn của từng thành phần Mức điện áp. .. Quá điện áp tạm thời (TOV) Quá điện áp với tần số vài Hz đến vài trăm Hz, thời gian kéo dài từ vài ms đến hàng giờ Các nguyên nhân của quá áp tạm thời có thể là do chạm đất một pha, hai pha, cộng hưởng sắt từ trong lưới điện, sa thải phụ thải Thông thường xung này không được quá 3 pu và không gây nguy hiểm trong vận hành luới điện Tuy nhiên, nó là yếu tố quyết định đến kích cỡ của chống sét 1.6.5 Điện. .. thuộc vào nhiều thông số như khoảng thời gian phóng năng lượng, biên độ dòng và số lần phóng điện Nói chung, chống sét không được dùng để bảo vệ các thiết bị để ngăn ngừa TOV vì như vậy sẽ đòi hỏi một số lượng lớn các chống sét nối song song Những áp dụng có thể xem xét chỉ trong trường hợp để hạn chế hay loại trừ TOV cộng hưởng Trong những trường hợp như thế cần phải nghiên cứu một cách cẩn thận để chọn... các chống sét loại một trụ Theo ANSI: Dòng điện quy chuẩn là giá trị đỉnh của thành phần điện trở của dòng điện tần số công nghiệp đủ lớn để có thể bỏ qua các ảnh hưởng của các điện dung tản của chống sét Mức dòng điện này là do nhà sản xuất quy định Theo tiêu chuẩn ANSI C62-11 thì khi nâng điện áp lên 1,25 lần điện áp làm việc liên tục lớn nhất vào hai cực của chống sét thì dòng điện qua chống sét . được đặt tên:“NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRONG MATLAB-SIMULINK ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP CHO THIẾT BỊ ĐIỆN”6. Bố cục. của CSV bảo vệ quá điện áp cho tụ bù dọc và kháng bù ngang.Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng chống sét van MOV và áp dụng mô hình mô phỏng CSV bảo vệ trạm