Nghiên cứu và xây dựng mô hình chống sét van trong Matlab-Simulink để bảo vệ chống quá điện áp cho thiết bị điện

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 130 NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRONG MATLAB-SIMULINK ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG QUÁ ĐIỆN ÁP CHO THIẾT BỊ ĐIỆN THE STUDY AND BUILD OF THE SURGE ARRESTER SIMULATION MODEL IN MATLAB-SIMULINK ON PROTECTION THE ELECTRICAL EQUIPMENT SVTH. Nguyễn Hồ Sĩ Hùng, Trần Ngọc Thẩm Lớp 05 DHT - Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa GVHD. TS. Đoàn Anh Tuấn Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Quá điện áp xảy ra trong hệ thống điện gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị quan trọng. Bài báo cáo trình bày tác dụng của chống sét van (CSV) trong việc bảo vệ thiết bị điện khi xảy ra quá điện áp. Các mô phỏng dùng phương pháp mô hình hóa trong công cụ Simulink để thể hiện rõ quá trình hoạt động, các đặc tính và khả năng bảo vệ của CSV trong việc hạn chế quá điện áp trên tụ bù dọc, kháng bù ngang và các cuộn dây của máy điện. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự cần thiết phải trang bị CSV cho các thiết bị quan trọng, từ đó nghiên cứu việc tính toán lựa chọn loại CSV cũng như số lượng CSV cần lắp đặt để đảm bảo sự làm việc độ tin cậy của CSV trong việc bảo vệ thiết bị điện. ABSTRACT Overvoltage in power system is harmful for insulator of electrical equipments, especially for important equipments.The report presents the effect of surge arrester on protecting electrical equipment during overvoltage.The simulations that used the modeling method in Simulink tool present clearly the operation, characteristics and protective capability of the surge arrester in limiting the overvoltage on the the series capacitor,the impedance compensator and the windings of a electrical machine.The results of this research show the need for setting surge arrester with important equipments, the research is also useful for calculating to select the class and the number of surge arresters to ensure the reliability of the electrical equipment protection. 1. Đặt vấn đề Quá điện áp khí quyển do sét lan truyền trên các đường dây trên không và quá điện áp do các sự cố trong hệ thống điện có thể lớn hơn điện áp thí nghiệm xung của cách điện của các thiết bị 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. Đề tài này 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. 2. Sử dụng mô hình CSV trong Simulink mô phỏng quá trình bảo vệ quá điện áp cho tụ bù dọc và kháng bù ngang Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 131 2.1. Mô hình mô phỏng Xét hệ thống đường dây cung cấp điện cho phụ tải dài 200km có cấp điện áp 500kV. Sự cố chạm đất trong mô phỏng xảy ra ở cuối đường dây và được loại trừ khi máy cắt tải cắt. Đường dây được bù với hệ số bù 40%. Kháng bù ngang được đặt tại cuối đường dây có công suất 110Mvar. Đặt CSV MOV1 bảo vệ cho tụ bù dọc, dựa vào mức cách điện dọc của tụ, điện áp phóng điện yêu cầu của CSV là 2,5 lần điện áp định mức của tụ. Từ đó ta xác định được điện áp bảo vệ tương ứng cài đặt cho mô hình CSV MOV1 là Uprot = 154,15kV. Kháng bù ngang được bảo vệ bởi khối chống sét MOV2 có điện áp phóng điện gấp 1,5 lần điện áp pha. Điện áp bảo vệ tương ứng cài đặt cho MOV2 là Uprot = 612,238kV. Hình 1. Mô hình được sử dụng cho mô phỏng 2.2. Quá trình mô phỏng Tại thời điểm sự cố chạm đất xảy ra (thời điểm t= 0,02s), điện áp đặt lên tụ bù tăng lên. Khi đạt tới điện áp bảo vệ tương ứng Vprot của MOV1 thì MOV1 bắt đầu phóng điện. Dòng phóng điện qua MOV1 đạt đến 8kA sau 0,026s kể từ thời điểm sự cố, điện áp đặt lên MOV1 là 150,3kV. Giá trị này thấp hơn điện áp chịu đựng của cách điện của tụ. Do đó CSV MOV1 đã thực hiện chức năng bảo vệ chống quá điện áp cho tụ bù khi có ngắn mạch cuối đường dây. Hình 2. Điện áp và dòng trên chống sét van MOV1 Tại thời điểm sự cố được loại trừ (lúc máy cắt tải Load CB cắt vào thời điểm t= 0,1s) thì tại thanh góp B2 xuất hiện quá điện áp và CSV MOV2 có nhiệm vụ bảo vệ quá điện áp cho kháng bù ngang phía cuối đường dây. Xung dòng qua MOV2 có độ lớn 1300A ứng với điện áp đặt lên MOV2 là 620kV. Hình 3. Điện áp và dòng trên chống sét van MOV2 2.3. Đánh giá vai trò của CSV trong quá trình bảo vệ quá điện áp Từ kết quả mô phỏng sự làm việc của các CSV để bảo vệ cho tụ bù dọc và kháng Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 132 bù ngang, đưa ra các đặc tính so sánh quá điện áp đặt vào các thiết bị cần bảo vệ khi có đặt CSV và khi không có đặt CSV. Hình 4. Điện áp trên bộ tụ trong trường hợp không lắp đặt CSV và trường hợp có lắp đặt CSV Hình 5. Điện áp trên kháng bù ngang trong trường hợp không lắp đặt CSV và có lắp đặt CSV 1 5.2987 2.4641 0 1 2 3 4 5 6 pu 1 Điện áp lớn nhất trên tụ bù dọc trong các trường hợp Điện áp làm việc bình thường lớn nhất của tụ bù(cột bên trái) Quá điện áp trên tụ bù khi không đặt CSV(cột ở giữa) Quá điện áp trên tụ bù khi có lắp đặt CSV(cột bên phải) 1 2.3595 1.7729 0 0.5 1 1.5 2 2.5 pu 1 Điện áp lớn nhất trên kháng bù ngang trong các trường hợp Điện áp làm việc bình thường lớn nhất của kháng bù ngang(cột bên trái) Quá điện áp trên kháng bù ngang khi không đặt CSV(cột ở giữa) Quá điện áp trên kháng bù ngang khi có lắp đặt CSV(cột bên phải) Hình 6. Điện áp lớn nhất trên tụ bù dọc và kháng bù ngang trong 3 trường hợp 2.4. Năng lượng hấp thụ của các CSV trong thời gian phóng điện Năng lượng hấp thụ là một thông số quan trọng của chống sét van. Nếu mức năng lượng vượt quá khả năng hấp thụ của chống sét có thể dẫn tới việc phá hủy tức thời đối với chống sét và làm hư hỏng chống sét. Mô phỏng đã tính được mức năng lượng hấp thụ đó theo thời gian phóng điện của chống sét. a) Chống sét van MOV1 b) Chống sét van MOV2 Hình 7. Năng lượng hấp thụ bởi CSV của tụ bù dọc và kháng bù ngang trong thời gian phóng điện Kết quả cho thấy mức năng lượng được chống sét van MOV1 hấp thụ là 9MJ trong thời gian phóng điện của nó,còn đối với MOV2 là 0,62MJ. Mức năng lượng hấp thụ bởi CSV bảo vệ cho tụ bù dọc là rất cao, do đó cần phải tính toán lựa chọn các CSV có khả năng hấp thụ các mức năng lượng cần thiết để mắc song song các CSV với nhau nhằm đảm bảo cho các CSV làm việc an toàn. Trong trường hợp này, nếu ta chọn loại CSV có điện áp định mức 60kV, mức năng lượng hấp thụ là 12kJ/kV(UR), với thời gian ngắn mạch là 0,1s thì số lượng CSV cần nối song song ít nhất là 12 CSV. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 133 3. Chống sét van bảo vệ quá điện áp do xung sét cho máy điện 3.1. Mô hình dạng xung sét chuẩn Biểu thức toán học các dạng xung sét không chu kỳ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện cao áp có dạng: 1 2 0( ) t t T Ti t KI e e (1) 1 2 0( ) t t T Tu t KU e e (2) Trên cơ sơ các biểu thức toán học thành lập mô hình trong matlab Hình 8. Nguồn dòng của xung không chu kỳ Hình 9. Nguồn áp của xung không chu kỳ Chạy mô hình ta được kết quả dạng sóng Hình 10.Nguồn phát xung 8/20μs – 10kA Hình 11. Nguồn phát xung 1,2/50μs -10kA 3.2. Mô hình CSV dạng MOV 3.2.1. Mô hình đề nghị Hình 12. Mô hình CSV mô phỏng Hình 13. Đặc tính V-I của MOV Các điện trở phi tuyến A0, A1 được xác định dựa vào các đường đặc tính V-I ở hình 13. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 134 3.2.2. Mô hình sử dụng CSV bảo vệ máy biến áp (MBA) khi có xung điện áp sét truyền vào trạm Hình 14. Mô hình trạm biến áp Hình 15. Mô hình thay thế trạm biến áp Xét mô hình trạm biến áp 110kV/22kV như hình 14. Hệ thống truyền tải qua MBA 110kV/22KV công suất 20MVA, điện trở nối đất của CSV là 1Ω. Cách điện của MBA được thiết kế là 360 kV. Chống sét được sử dụng là loại AZG3008G070090 của hãng Cooper: Đặc tính kỹ thuật của CSV Rate Voltage (KV) Continuous operating voltage (KV) 1/5 μs-10 kA (KV) High Arrester (mm) 8/20 μs Maximum Discharge Voltage (kV) 5 (kA) 10 (kA) 20 (kA) 90 70 242 1219 199 213 235 Kết quả điện áp thu được trong trường hợp có và không có đặt CSV U1: điện áp đặt vào MBA khi không có CSV bảo vệ U1: điện áp đặt vào MBA khi có CSV bảo vệ Từ kết quả ở hình 16 ta thấy khi không đặt CSV thì điện áp đặt vào cách điện của MBA là 2MV lớn hơn nhiều lần cách điện của MBA sẽ gây ra phá hỏng MBA. Trong trường hợp đặtCSV, ta thấy rằng điện áp đặt lên MBA sẽ nhỏ hơn điện áp cách điện của MBA. Hình 16. Có đặt CSV 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của điện trở nối đất và độ dốc đầu sóng đến điện áp dư của CSV 3.3.1. Ảnh hưởng của điện trở nôi đất đến điện áp dư Tiến hành mô phỏng với việc thay đổi giá trị điện trở nối đất của CSV ta có kết quả ở hình 7. Trên cơ sở mô phỏng ta thấy điện trở nối đất ảnh hưởng rất lớn đối với điện áp dư, kết quả mô phỏng giúp ta chọn giới hạn cho điện trở nối đất phù hợp. Với MBA công suất lớn, thông thường hệ số dự trữ là 1.5 nên điện trở đất của CSV phải nhỏ hơn 4 Ω. Hình 17. Đặc tính Udư theo Rđ 3.3.2. Ảnh hưởng của độ dốc đầu sóng đến điện áp dư Tiến hành mô phỏng với việc thay đổi độ dốc xung sét truyền vào trạm. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 135 Theo kết quả mô phỏng hình 18 ta thấy điện áp dư bị ảnh hưởng rất lớn khi độ dốc thay đổi. Thời gian đầu sóng càng bé thì điện áp dư càng lớn, càng gây nguy hiểm cho cách điện MBA. Điều đó giải thích tại sao trong nhiều trường hợp đã thiết kế CSV theo qui phạm mà vẫn bị hỏng thiết bị đó là do xung sét có độ dốc quá lớn,vượt ngoài tiêu chuẩn thiết kế. 3.3.3. Ảnh hưởng của vị trí sét đánh đến điện áp dư Tiến hành mô phỏng khi thay đổi vị trí sét đánh trên dọc đường dây từ 1-1000 m Chiều dài(m) 1 10 100 200 400 600 800 1000 Điện dung dây dẫn (pF) 8.73 87.3 873 1746 3492 5238 6980 8730 Udư (kV) 221.2 221 219 217.2 212 206 201.1 197 Mô phỏng cho thấy được ảnh hưởng của vị trí sét đánh đối điện áp đặt lên và điện áp dư của chống sét, vị trí càng xa trạm thì điện áp truyền vào trạm càng nhỏ và ít gây ảnh hưởng đối với các thiết bị. Kết luận Tính mới của đề tài là nghiên cứu được mô hình và lập mô phỏng CSV dạng MOV của các nhà sản xuất khác nhau từ các số liệu bất kỳ.Thông qua mô hình mô phỏng ta thấy được ảnh hưởng của độ dốc đầu sóng, vị trí sét đánh và điện trở đất đối với điện áp dư của CSV, đồng thời úng dụng vào thực tế để chọn điện trở nối đất cho CSV. Kết quả cho thấy các CSV này đóng vai trò quan trọng để giảm thành phần quá điện áp gây nguy hiểm cho cách điện của tụ bù dọc, kháng bù ngang, máy biến áp và giới hạn quá điện áp được giữ ở mức an toàn cách điện của thiết bị. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Manchester Data Encoding for Radio Communications. [2] Back to the future Manchester encoding. [3] Using the XGATE for Manchester. [4] Michael Duck, Peter Bishop, Richard Read. Data communication, addison –wesley. [5] Hoàng minh sơn. Mạng truyền thông công nghiệp.Hoàng Minh Sơn, Nhà suất bản khoa học và kỹ thuật, suất bản năm 2001. [6] Giáo trình đo lường và điều khiển xa dùng cho sinh viên nghành kĩ thuật: Khoa điện – Bộ môn tự động hóa Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 08-2009. [7] Đỗ Trung Tá. Công nghệ ATM - giải pháp cho mạng viễn thông băng rộng 1998. Hình 18. Udư theo độ dốc sóng