Mô hình hoá và mô phỏng chống sét van bằng sử dụng phần mềm EMTP

 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN 
Số 03 (10/2017) 18 
MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG CHỐNG SÉT VAN 
BẰNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM EMTP 
Võ Tiến Dũng*, Trần Duy Trinh**, 
 Võ Tiến Trung **, Vũ Anh Tuấn*** 
Title: Modeling and Simulation 
of Surge Arresters Using EMTP 
Từ khóa: Điện từ, EMTP, mô 
hình, sét, tần số phụ thuộc. 
Keywords: Electromagnetic 
Transients, Surge Arrester, 
EMTP, Modeling, lightning, 
Frequency Dependent. 
Thông tin chung: 
Ngày nhận bài: 10/1/2017; 
Ngày nhận kết quả bình duyệt: 
08/2/2017; 
Ngày chấp nhận đăng bài: 
06/9/2017. 
Tác giả: 
* NCS., **TS., ***ThS., trường 
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh 
vutuanktv@yahoo.com, 
tdungtmv@gmail.com 
TÓM TẮT 
Bài viết này thảo luận về các bước cần thực hiện để thu được 
những thông số tính toán cần thiết để đại diện cho mô hình chống sét 
van trên cơ sở mô hình phụ thuộc tần số được đề xuất bởi nhóm 
nghiên cứu của IEEE trong mô phỏng quá độ. Phần mềm EMTP được 
sử dụng để mô phỏng sự làm việc của chống sét van trong suốt quá 
trình quá độ điện từ trong hệ thống điện. Các mô phỏng được thực 
hiện khi có sét đánh trên đường dây truyền tải của lưới điện trung thế, 
điện áp được ghi lại tại thanh cái 22kV và tại đầu cực của chống sét, 
và được biểu diễn trên đồ thị bằng chương trình PlotXY trong EMTP. 
ABSTRACT 
This paper discusses the steps to be performed for deriving the 
parameters needed to represent model of surge arresters based on 
frequency dependent model recommended by the IEEE WG.3.4.11 in 
transient simulations. The program EMTP (ElectroMagnetic Transient 
Program) was used to simulate the performance of surge arresters 
during electromagnetic transients on power systems. The simulation 
was done when the lightning strikes on the transmission line of 
medium voltage grid, the voltage was recorded at 22 kV bus and at 
terminal of surge arrester, and were drawn by the PlotXY program. 
1. Giới thiệu 
Trước khi mô hình chống sét van được 
nhóm nghiên cứu của tổ chức IEEE đưa ra, 
Durbak đã đề xuất mô hình chống sét van 
tổng quát (Durbak W.D., 1985). Đó là mô hình 
chống sét van phụ thuộc tần số được thực 
hiện bằng cách chia nhỏ thành nhiều trở 
kháng phi tuyến tần số thấp (Hình 1). 
Mỗ i điệ n trở phi tuyệ n phu thuỗ c thở i 
gian đưở c nga n ca ch bở i ca c bỗ lỗ c thỗ ng 
tha p. Ra t khỗ đệ đỗ lưở ng ca c thỗ ng sỗ thư c 
nghiệ m đệ tí nh tỗa n ca c thỗ ng sỗ cu a mỗ hí nh 
trệ n pha m vi rỗ ng (m>2). Tuy nhiệ n đỗ i vở i 
sư phỗ i hở p ca ch điệ n, mỗ i quan ta m chí nh la 
sư xua t hiệ n cu a hiệ u ư ng phí a trưở c nhanh 
chỗ ng ở khu vư c xung sệ t, nởi ca c dỗ ng điệ n 
sệ t tư 1kA đệ n 20kA xa y ra trỗng thở i gian ra t 
nga n, tư 0,5μs đệ n 10μs. Đỗ i vở i pha m vi na y 
kệ t qua tỗ t cỗ thệ đa t đưở c khi m = 2 va điệ u 
na y da n đệ n ca c mỗ hí nh cu a IEEE (Hí nh 2) 
(IEEE W.G. 3.4.11, 1992, tr. 301-309). 
Hình 1. Mô hình tổng quát do Durbak 
đề xuất 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN 
Số 03 (10/2017) 19 
Hình 2. Mô hình tổng quát do IEEE đề xuất 
Năm 1999, Pincệnti và Giannệttỗni trỗng 
(Pinceti P. & Giannettoni M., 1999, tr.393-397) 
đã đởn giản hoá mô hình chống sét van của 
IEEE. Mô hình đó được thể hiện ở Hình 3. 
Hình 3. Mô hình IEEE đơn giản do 
Pincenti và Giannettoni đề xuất 
Trỗng mô hình này, hai điện trở song 
song với điện cảm được thay thế bằng một 
điện trở có giá trị rất lớn (khoảng 1 MΩ) đặt 
trên hai cực đầu vào. Mục đích của điện trở 
này là để giảm bớt daỗ động trong quá trình 
tính toán. 
Giá trị điện cảm được tính như sau (thệỗ 
Durbak W.D.,1985): 
)(
4
1
20/8
20/8/1
1
2 HU
V
VV
L n
T

 (1) 
)(
3
1
12
1
1
20/8
20/8/1
0
2 HLU
V
VV
L n
T
 
 (2) 
Trỗng đó: 
Un- điện áp làm việc lớn nhất của chống 
sét van. 
V1/T2 - điện áp dư (Rệsidual vỗltagệ) của 
xung dòng điện sét 10 kA dạng sóng 1/T2 μs. 
Thời gian giảm (T2) không được viết một 
cách rõ ràng bởi vì các nhà sản xuất khác 
nhau có thể sử dụng giá trị khác nhau. Điều 
này không ảnh hưởng đến các mô hình, bởi vì 
giá trị đỉnh của điện áp dư trùng với sự tăng 
lên của xung sét. 
V8/20- điện áp dư của xung dòng điện sét 
10kA với dạng sóng 8/20μs. 
Thực nghiệm cho thấy mô hình chống sét 
van dỗ Pincệnti và Giannệttỗni đề xuất cho 
kết quả rất tốt so với các kiểm tra trên các 
chống sét van thực của các nhà sản xuất 
(Pinceti P., Giannettoni M., 1999, tr. 393-397). 
Trong bài viết này chúng tôi sử dụng mô hình 
chống sét van này. Có thể mô phỏng bằng một 
số phần mềm như MATLAB/SIMULINK 
(Patne N R & Thakre K. L. ,2007, tr. 59-63), 
PSCAD/EMTDC (Ntombela M & cs, 2005), 
EMTP (Pinceti P. & Giannettoni M., 1999). 
Phần mềm quá độ điện từ EMTP 
(Electromagnetic Transients Program) là một 
chưởng trình máy tính giúp chỗ việc mô 
phỏng quá trình quá độ điện từ, điện cở và 
điều khiển trong hệ thống điện. Cũng như 
nhiều phần mềm khác, EMTP cũng được sử 
dụng cho học tập và nghiên cứu với mã 
nguồn mở, hoặc chỗ thưởng mại. Trong một 
nghiên cứu so sánh công cụ mô phỏng của 
phần mềm EMTP và MATLAB (Meenu 
Kanwar & cs, 2014, tr. 50-56), kết quả cho 
thấy phần mềm EMTP cho kết quả tốt hởn 
trong việc mô phỏng quá trình vật lý của 
đường dây tải điện và trạm biến áp còn 
MATLAB thuận tiện hởn trỗng điện tử công 
suất, xử lý tín hiệu và điều khiển. Trong bài 
viết này, phần mềm EMTP được chọn để mô 
phỏng chống sét van với mô hình trên vì 
EMTP được đánh giá là một trong những hệ 
thống chưởng trình được quốc tế sử dụng 
rộng rãi nhất để mô phỏng các hiện tượng 
quá độ điện từ trong hệ thống điện. Việc mô 
phỏng được thực hiện trên phiên bản 6.0 có 
bản quyền của trường đại học kỹ thuật 
Ostrava, cộng hoà Séc. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN 
Số 03 (10/2017) 20 
2. Đối tượng nghiên cứu 
Đối tượng nghiên cứu là sở đồ lưới điện 
phân phối điện áp 22kV, tần số 50Hz được 
cho ở Hình 4. Dây dẫn sử dụng là đường dây 
trên không ba pha 3xAC70, X0= 0,396Ω/km 
và b0=2,79.10-6 (1/Ω.km), chiều dài thể hiện 
trên Hình 4, phụ tải 1,58MW và 1,02Mvar. 
Hình 4. Sơ đồ lưới điện 
Sử dụng phần mềm EMTP mô phỏng 
điện áp tại đầu cực của chống sét van và tại 
thanh góp khi sét đánh vàỗ 1 dây pha. 
3. Mô phỏng và kết quả 
3.1. Các thông số cần thiết cho quá 
trình mô phỏng: 
Trở kháng đặc tính (Surge impedance) 
của đường dây được tính như sau: 
0
0
C
L
Z
C
Trỗng đó: 
L0 là điện cảm trên 1 đởn vị dài (H/km). 
C0 là điện dung trên 1 đởn vị dài (F/km). 
Với dây AC70, X0 = 0,396Ω/km và b0 = 
2,79.10-6 (1/Ω.km), tính được L0 = 1,261.10-3 
H/km và C0 = 8.885.10-9 F/km, dỗ đó: 
)( 376
0
0  
C
L
ZC 
Trong phần mềm EMTP, đường dây 
22kV sử dụng mô hình JMarti (ATP Theory 
book, 2004) với đường dây trên không, điện 
trở suất của đất ρ = 50Ωm. Sét được mô 
phỏng bằng nguồn Heidler (ATP Theory 
book, 2004) với biên độ 10kA. Sở đồ mô 
phỏng hệ thống điện với chống sét van được 
thể hiện ở Hình 5. 
Hình 5. Sơ đồ mô phỏng xung sét bằng EMTP 
Như đã trình bày ở mục 1, chúng tôi sử 
dụng mô hình chống sét van do Pincenti và 
Giannệttỗni đề xuất, trong phần mềm EMTP 
sở đồ mô phỏng được thể hiện ở Hình 6. 
Hình 6. Sơ đồ mô phỏng chống sét van 
Bảng 1 là thông số của chống sét kim loại 
điển hình được sử dụng trong bài báo. 
Bảng 1. Dữ liệu chống sét van: Loại 
variSTAR AZG (ArresterWorks.com) 
Điện 
áp 
làm 
việc 
lớn 
nhất 
(kV) 
Điện 
áp làm 
việc 
định 
mức 
(kV) 
Điện áp dư với dạng sóng (V) 
1/5μs 8/20μs 
10kA 20kA 10kA 20kA 
27 22 96795 103437 81729 88371 
~ 
7km 
23km 
Load 
8km 
Sourc
e 
22kV 
Bus 
CSV 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN 
Số 03 (10/2017) 21 
Từ bảng ta có: 
Vn= 27kV 
V1/T2= 96.795kV 
V8/20= 81.729kV 
Ta tính được: 
)(2443.127.
729.81
729.81795.96
4
1
4
1
20/8
20/8/1
1
2 HU
V
VV
L n
T
 
)(3111.027.
729.81
729.81795.96
12
1
12
1
20/8
20/8/1
0
2 HU
V
VV
L n
T
 
Để xác định đặc tính điện trở phi tuyến 
A0, A1 dựa trên đường đặc tính V-I thực 
nghiệm do nhóm nghiên cứu của IEEE đưa ra 
(IEEE W.G. 3.4.11, 1992). 
Hình 7. Đường đặc tính V-I dựa trên kết 
quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu IEEE 
Trong phần mềm EMTP, đặc tính V-I của 
điện trở phi tuyến được mô tả bởi phưởng trình: 
I= B.Vq 
Với B và q là các hằng số. 
Kết hợp phưởng trình phi tuyến với 
đường cong thực nghiệm xác định được giá 
trị phi tuyến A0, A1 thể hiện ở bảng 2. 
Bảng 2. Đặc tính V-I sử dụng cho A0 và 
A1 trong mô hình chống sét van. 
I (kA) A0 (kV) A1 (kV) 
2.10-6 65.6 50.5 
0.1 78.9 63.8 
1 85.2 70.1 
3 89.7 74.7 
10 96.7 81.7 
20 103.4 88.4 
2. Kết quả mô phỏng 
Sử dụng phần mềm EMTP mô phỏng cho 
trường hợp xảy ra sét đánh trực tiếp vào pha 
B gần chống sét van. Kết quả điện áp 3 pha 
trên đầu cực chống sét van và trên thanh cái 
được vẽ bởi ứng dụng PlotXY trong EMTP thể 
hiện ở Hình 8 và 9. 
Hình 8a. Đồ thị sóng 3 pha trong 20ms 
Hình 8b. Đồ thị sóng 3 pha trong 0.6ms 
Hình 8. Điện áp 3 pha tại đầu cực chống 
sét van khi sét xảy ra tại pha B. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN 
Số 03 (10/2017) 22 
Hình 9a. Đồ thị sóng 3 pha trong 30ms 
Hình 9b. Đồ thị sóng 3 pha trong 0.6ms 
Hình 9. Điện áp 3 pha tại thanh cái khi 
sét xảy ra tại pha B 
Có thể quan sát ở hình 8 và 9: Khi xảy ra 
sét đánh trực tiếp vàỗ pha B, điện áp xung 
kích tại pha B trên chống sét van lên tới 200 
kV, còn tại thanh cái thì thấp hởn, chỉ 120kV, 
thời gian xảy ra rất ngắn, chưa đến 1ms. Có 
thể sỗ sánh điện áp với trường hợp không có 
chống sét van, Hình 10, 11. Khi đó điện áp 
xung kích tại pha B có thể lên đến 1100kV tại 
điểm bị sét đánh và 650kV tại thanh cái. Bảng 
3 cho thấy chi tiết hởn về điện áp lớn nhất tại 
các pha trỗng 2 trường hợp có và không có 
chống sét van. Từ kết quả mô phỏng ta có thể 
tính được lực điện động tác động lên các thiết 
bị điện giúp cho việc tính toán và lựa chọn 
thiết bị phù hợp. 
Hình 10. Điện áp 3 pha tại điểm bị sét 
đánh trực tiếp (vào pha B) khi không có chống 
sét van. 
Hình 11. Điện áp 3 pha thanh cái khi 
không có chống sét van 
Bảng 3. Điện áp lớn nhất ở 3 pha tại đầu 
cực chống sét van và trên thanh cái. 
Vị trí 
Điện áp cực đại (kV) 
Có sử dụng chống 
sét van 
Không sử dụng 
chống sét van 
Đầu 
cực 
chống 
sét van 
Thanh 
cái 
Đầu 
cực 
chống 
sét van 
Thanh 
cái 
Pha A 88,2 56,1 478 208 
Pha B 198,0 114,0 1095 643 
Pha C 59,0 38,1 531 188 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC YERSIN 
Số 03 (10/2017) 23 
4. Kết luận 
Bài viết đã trình bày quá trình tính tỗán 
và mô phỏng chống sét van dựa trên mô hình 
của IEEE đề xuất. Đồng thời việc mô phỏng 
quá trình quá độ của điện áp tại đầu cực của 
chống sét van cũng như tại thanh cái của 
mạng điện trung áp được thực hiện bằng 
phần mềm EMTP. Kết quả mô phỏng giúp xác 
định được ảnh hưởng của sét lên lưới điện, 
hỗ trợ cho việc tính toán, lựa chọn thiết bị 
phù hợp và có các biện pháp giảm thiểu thiệt 
hại do sét gây ra. 
Trong thực tế, việc kiểm nghiệm hiện 
tượng sét trên đường dây rất khó, vì vậy với 
mô hình này, người thiết kế có thể thay đổi 
thông số của chống sét van dựa trên số liệu 
thực, từ đó lựa chọn chống sét van phù hợp. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. ArresterWorks.com, Medium and High 
Voltage Arrester and Lightning Standards 
Overviews. Truy cập ngày 10/6/2016, từ 
ew.php#c62_1 
2. ATP Theory book, EMTP-ATP 
Programs (2004). Ấn bản kèm theo phần mềm. 
3. Durbak W.D.(1985). Zinc-Oxide 
Arrester Model for Fast Surges, EMTP 
Newsletter, Vol. 5, No. 1, January 1985. 
4. IEEE W.G. 3.4.11 of Surge Protective 
Devices Committee. (1992). Modeling of 
metal oxide surge arresters. IEEE Trans. on 
Power Delivery, Vol. 7, NO. 1, pp. 301 - 309, 
January 1992. 
5. IEEE Guide for the Application of 
Metal-Oxide Surge Arresters for 
Alternating- Current Systems. (1991), IEEE 
Std C62.22-1991. 
6. Loszlu Prikler, Hans Kristian Hoidalen. 
(2009). ATPDRAW version 5.6, ấn bản kèm 
theo phần mềm. 
7. Meenu Kanwar, Komal Arora, Sawan 
Kumar Sharma. (2014). Comparison of 
Simulation Tools ATP-EMTP and MATLAB- 
Simulink for Time Domain Power System 
Transient Studies. International Journal of 
Research Studies in Computer Science and 
Enigeering (IJRSCSE), Vol.1, issue 3, July 
2014, pp 50-56. 
8. Ntombela M, Kaberere K K, Folly K A, 
Petroianu A I. (2005). An Investigation into 
the Capabilities of MATLAB Power System 
Toolbox for Small Signal Stability Analysis in 
Power Systems, IEEE PES Conference and 
Exposition. 
 9. Patne N R, Thakre K L. (2007). 
Stochastic Estimation of voltage Sag Due to 
Faults in the Power System by Using 
PSCAD/EMTDC Software as a Tool for 
Simulation, Journal of Electrical Power 
Quality and Utilisation, Vol. 13, pp. 59-63. 
 10. Pinceti P., Giannettoni M.(1999). A 
Simplified Model for Zinc Oxide Surge 
Arresters, IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 
14, No. 2, p. 393-397, April 1999.