Xác định số phần tử mov của thiết bị triệt xung hạ áp chế tạo theo công nghệ mov đa khối

XÁC ĐỊNH SỐ PHẦN TỬ MOV CỦA THIẾT BỊ TRIỆT XUNG HẠ ÁP

CHẾ TẠO THEO CÔNG NGHỆ MOV ĐA KHỐI

DETERMINING THE MOV ELEMENT NUMBER OF SURGE PROTECTIVE

DEVICE, MANUFACTURED BY MULTI-BLOCK MOV TECHNOLOGY

Quyền Huy Ánh¹, Nguyễn Hà Giang¹

¹Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

Tóm tắt: Các SPD chế tạo theo công nghệ MOV đa khối có thể chỉ thị tuổi thọ còn

lại (theo %) của SPD, từ đó giúp cho người sử dụng có thể lên kế hoạch thay thế và bảo

dưỡng phù hợp. Tuy nhiên, do sai số điện áp ngưỡng của các phần tử MOV ghép song

song không như nhau nên dòng xung định mức của SPD chế tạo theo công nghệ MOV

đa khối không bằng tổng dòng xung định mức của các phần tử MOV ghép song song.

Bài báo trình bày phương pháp xác định số phần tử MOV mắc song song của MOV đa

khối theo phương pháp năng lượng tiêu tán cho phép với sự trợ giúp của phần mềm

Matlab và kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng.

Từ khóa: thiết bị triệt xung hạ áp, MOV đa khối, năng lượng tiêu tán.

Astract: SPDs manufactured using multi-block MOV technology can indicate the

remaining life (in %) of the SPD, thus helping users to plan appropriate replacement

and maintenance. However, because the threshold voltage error of parallel-coupled

MOV elements is not the same, the rated pulse current of the SPD manufactured by

multi-block MOV technology is not equal to the total of the rated pulse current of

parallel-coupled MOV elements. The paper presents the method of determining the

number of parallel MOV elements of multi-block MOV according to the allowed

dissipation energy method with the help of Matlab software and modeling and

simulation technique.

Key words: Surge Protective Device (SPD), Multi-block MOV, Dissipation energy.

1. Đặt vấn đề

Để chống sét lan truyền trên mạng phân phối hạ áp, hiện đang sử dụng rộng rãi

thiết bị triệt xung (SPD-Surge Protection Device), chế tạo theo công nghệ MOV, với

hai chủng loại MOV đơn khối và MOV đa khối.

Các SPD chế tạo theo công nghệ MOV đơn khối có dòng xung định mức lớn (SPD

cấp 2, từ 40 đến 100kA 8/20µs), nhưng các SPD này lại không có khả năng hiển thị tuổi

1

thọ còn lại của SPD. Điều này gây khó khăn cho người sử dụng trong công tác bảo

dưỡng, thay thế SPD nhằm đảm bảo mức bảo vệ theo thiết kế ban đầu.

Các SPD chế tạo theo công nghệ MOV đa khối, bao gồm các phần tử MOV có khả

năng tản sét thấp (8kA 8/20µs và 25kA 8/20µs) ghép song song với nhau để tạo thành

SPD có khả năng tản dòng sét cao như SPD chế tạo theo công nghệ MOV đơn khối.

Các SPD chế tạo theo công nghệ MOV đa khối có thể chỉ thị tuổi thọ còn lại (theo %)

của SPD, từ đó giúp cho người sử dụng có thể lên kế hoạch thay thế và bảo dưỡng phù

hợp. Tuy nhiên, do sai số điện áp ngưỡng của các phần tử MOV ghép song song không

như nhau nên dòng xung định mức của SPD chế tạo theo công nghệ MOV đa khối

không bằng tổng dòng xung định mức của các phần tử MOV ghép song song.

Bài báo này đi sâu nghiên cứu và đề xuất phương pháp xác định số lượng các phần

tử MOV mắc song song, nhằm đạt được khả năng tản xung sét có biên độ cao (thiết bị

chống xung loại I - SPDs I) trên cơ sở năng lượng tiêu tán cho phép.

2. Mô hình MOV

Đặc tính V-I của MOV (Hình 1) được biểu diễn bằng phương trình dạng hàm mũ:

I = KV^

 > 1

(1)

Trong đó: I là dòng qua MOV, V điện áp đặt lên MOV, K là hệ số phụ thuộc vào

loại MOV,  là hệ số phi tuyến.

Hình 1. Quan hệ V-I của MOV.

Manfred Holzer và Willi Zapsky xấp xỉ hoá đặc tính V-I của MOV theo phương

trình:

log V = B₁+ B₂log ( I) + B_3·e ^{-log ( I)}+ B₄e ^{log ( I)}với I > 0

(2)

2

^{−log(I )}+B₄e^{log(I )}

V =10^{B +B log(I )+B e}

1

2

3

Hay:

(3)

Ở đây: Các giá trị B₁, B₂, B₃, B₄tùy thuộc vào mỗi loại MOV.

Mô hình MOV có thể thay thế bằng sơ đồ mạch tương đương Hình 2.

Hình 2. Mô hình mạch tương đương của MOV.

Trong đó: L là điện cảm dây nối ( 1nH/mm), C là điện dung biến trở oxit kim

loại, R_IGlà điện trở miền tiếp giáp giữa hạt oxit kẽm ( = 10¹²→ 10¹³cm), R_Vlà biến

trở lý tưởng, điện trở phi tuyến (0 →  ), R_Blà điện trở của oxit kẽm (=1÷10 cm).

Năng lượng hấp thụ của MOVđược xác định theo biểu thức (4):

t1

^W=

v(t)i(t)dt

(4)

t0

Với v(t) là điện áp ngang qua MOV trong suốt thời gian dòng i(t) đi qua.

Để MOV không bị hư hỏng thì năng lượng hấp thu của MOV không được vượt

quá năng lượng cho phép qui định bởi nhà sản xuất.

3. Phân dòng trong các MOV mắc song song

Dưới đây, phân tích sự không đồng nhất về thông số điện áp ngưỡng đến dòng đi

qua MOV mắc song song của thiết bị SPD bao gồm n MOV hạ áp: M₁, M₂, … M_i, …

M_nmắc song song (Hình 3). Giả sử rằng MOV V₁có một sai số điện áp ngưỡng là -

10% , và (n-1) MOV còn lại có cùng sai số điện áp ngưỡng là +10%. Khi một dòng

xung i với dạng sóng là 8/20µs đi qua chúng:

3

Hình 3. Phân dòng trong các phần tử MOV mắc song song.

i = i₁+ i₂+ ... + i_i+ … + i_n

v₁= v₂= … = v_i= … = v_n

v₁= f(i₁)

v_i= f(i_i)

v_n= f(i_n)

Ở đây: i₁, i₂, i_ivà i_nlà dòng điện đi qua những MOV (M₁, M₂, M_ivà M_n) và V₁,

V₂, V_ivà V_nlà điện áp của MOV (M₁, M₂, M_ivà M_n), tương ứng V_i= f(i_i) là đặc tính

dòng điện – điện áp MOV M_i, với công thức quan hệ dòng-áp: 푖_푖= 퐶푉^∝với C là hằng

푖

số và  là hệ số phi tuyến.

Nhận thấy: khi các phần tử MOV mắc song song thì dòng xung định mức của SPD

sẽ không bằng tổng dòng xung định mức của các phần tử MOV:

Hình 4. Dòng xung định mức của SPD trong trường hợp

các phần tử MOV không đồng nhất.

Trong trường hợp này, dòng xung định mức I_SPDcủa thiết bị triệt xung không bằng

tổng của dòng xung của các phần tử MOV đồng nhất mắc song song:

I_SPD≠ n I_MOV

(5)

Để giữ cho những MOV mắc song song hoạt động an toàn, độ dự trữ an toàn của

dòng xung định mức của SPD cần được quan tâm trong thiết kế SPD.

I_SPD= nk_rI_MOV

(6)

Ở đây: k_r≥1 là hệ số dự trữ an toàn của dòng xung định mức của SPD.

4. Xác định số lượng n MOV trong MOV đa khối theo năng lượng tiêu tán

4

Với MOV đa khối bao gồm n phần tử MOV có các thông số như sau:

✓ Dòng xung định mức I₁(kA), dạng sóng 8/20µs.

✓ Năng lượng tiêu tán cho phép W (J).

Số lượng n phần tử MOV của MOV đa khối có dòng xung định mức I_t(kA) dạng

sóng 8/20µs có thể xác định bằng các bước thực hiện như sau:

Xây dựng mạch mô phỏng bao gồm:

✓ Máy phát xung dòng I_t(kA) dạng sóng 8/20µs.

✓ Xây dựng mô hình MOV đa khối gồm n phần tử MOV có dòng xung định

mức I₁(kA), dạng sóng 8/20µs. Trong đó, MOV1 có sai số điện áp ngưỡng

-10% và nối song song với (n-1) MOV có sai số điện áp ngưỡng +10%.

✓ Thực hiện mô phỏng năng lượng tiêu tán qua MOV1 và quan sát giá trị năng

lượng này theo số lượng n thay đổi.

✓ Quá trình mô phỏng dừng lại khi năng lượng tiêu tán qua MOV1 đạt giá trị

cho phép. Từ đó, xác định được n phần tử MOV cần mắc song song.

5. Xác định số phần tử của MOV đa khối thông dụng

Yêu cầu thiết kế MOV đa khối có khả năng tản xung sét I_t=40kA 8/20µs từ các

phần tử MOV của Siemes có mã B32K275 có W=360J với sai số điện áp ngưỡng là

∆V%=±10%. Mạch mô phỏng trình bày ở Hình 5 với số phần tử MOV n=5.

Hình 4.2. Mạch mô phỏng MOV đa khối gồm 5 phần tử MOV B32K275.

Với MOV1 có sai số điện áp ngưỡng -10% (MOV chịu dòng lớn nhất trong tất cả

các phần tử MOV) và các MOV còn lại có sai số điện áp ngưỡng +10%. Dạng xung

dòng qua MOV1 trình bày ở Hình 6, dạng xung áp ngang qua MOV1 trình bày ở Hình

7, dạng năng lượng tiêu tán của MOV1 trình bày ở Hình 8.

5

Hình 6. Dạng xung dòng qua MOV1.

Hình 7. Dạng xung áp ngang qua MOV1.

Hình 8. Dạng năng lượng tiêu tán của MOV1.

Từ Hình 8, xác đinh được năng lượng tiêu tán lớn nhất của MOV1 là

W_max=343J<W_cp=360J. Chọn n=5, tức khả năng tản xung sét định mức của MOV đa

khối là 5x25=125kA 8/20µs.

6

Tương tự, sử dụng phương pháp năng lượng tiêu tán, xác định số phần tử MOV

của MOV đa khối có dòng xung định mức 25kA, 40kA, 50kA, 70kA và 100kA 8/20µs.

Kết quả liệt kê trong Bảng 2 với hệ số dự trữ K_rđược xác định bằng tỷ số giữa tổng

dỏng xung định mức của các phần tử MOV trên dòng xung định mức của MOV đa khối.

Bảng 2. Số lượng phần tử MOV của MOV đa khối thông dụng

Số phần tử MOV

B32K275 ⁽¹⁾, 25kA S20K275 ⁽²⁾, 8kA

8/20µs ∆V%=±10% 8/20µs ∆V%=±10%

Hệ số dự trữ

MOV đa khối

K_r(%)

(1)/(2)

25kA 8/20µs

40kA 8/20µs

50kA 8/20µs

70kA 8/20µs

100kA 8/20µs

-

5

7

10

15

9

-/2,9

16

21

37

45

3,1/3,2

3,5/3,3

3,6/4,2

3,7/3,6

6. Kết luận

✓ Bài báo trình bày phương pháp xác định số phần tử MOV mắc song song của

MOV đa khối theo phương pháp năng lượng tiêu tán cho phép với sự trợ giúp của phần

mềm Matlab và kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng;

✓ Số phần tử MOV của MOV đa khối thông dụng có dòng xung định mức 25kA,

40kA, 50kA, 70kA và 100kA 8/20µs được liệt kê dạng bảng tra cho phép các nhà sản

xuất MOV đa khối tham khảo trong quá trình thiết kế và sản xuất MOV đa khối trong

thực tế.

Tài liệu tham khảo

[1]. “Surge Protector on the Power Lines, Considering the Influenced Factor”; Le

Quang Trung, Quyen Huy Anh, Vu Phan Tu; IEEE International Conference on

System Science and Engineering ICSSE 2017.

[2]. “Selection Guilde for Low voltage Surge Protection”; Quyen Huy Anh, Le

Quang Trung; International Journal of Engineering Research & Technology

10/2017.

[3]. “Design of SPDs class I for low voltage electric systems, using combination of

metal oxide varistors”; Carlos Avendaño, Henry Ibáñez, Helmuth Ortiz

Universidad Distrital “Francisco José de Caldas”, 2015.

7

[4]. Saad Dau Gecol; Modeling of metal oxide surge arresters as elements of

overvoltage protection systems; International Conference on Lightning Protection

(ICLP), 2012.

[5]. “Performance of Surge Arresters in a Low Voltage Distribution System”;

Chryssa Nasiopoulou, Eleftheria Pyrgioti; International Conference on Lightning

Protection (ICLPj, Vienna, Austria, 2012.

[6]. SIOV metal oxide varistors, Data Book, TDK 2018.

Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết):

Họ tên:

Đơn vị:

Nguyễn Hà Giang

Học viên Cao học Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM.

Điện thoại: 0702320118

Email: [email protected]

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

8