Bảo vệ chống sét lan truyền trong mạng hạ áp

Luận văn này đi sâu vào nghiên cứu mô hình các thiết bị chống quá áp do sét trên đường nguồn hạ áp, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống quá áp..

Hiện nay, chống sét trực tiếp đã được quan tâm tương đối với các giải pháp từ cổ điển đến hiện đại Tuy nhiên, số liệu thống kê chỉ ra hơn 70% hư hỏng do sét gây ra lại do sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu

Bên cạnh việc nghiên cứu chống sét đánh trực tiếp, việc nghiên cứu chống sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng trên đường nguồn cũng đóng một vai trò quan trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ chống quá điện áp do sét phù hợp

Nhìn chung, mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn nhưng lại trải trên diện rộng và cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ nên nó lại là nguyên nhân dẫn sét vào công trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị Thống kê cho thấy, hậu quả không mong muốn của quá áp do sét lan truyền trên mạng phân phối hạ áp gây ra thiệt hại rất lớn và nhiều lúc không thể đánh giá cụ thể được Vấn đề được đề cập một cách cấp bách trong những năm gần đây là các trang thiết bị điện tử đã trở thành các thiết bị được sử dụng ngày càng nhiều và rất phổ biến trong các tòa nhà, các công trình ở mọi lãnh vực như bưu chính viễn thông, phát thanh, truyền hình, công nghiệp… Các thiết bị này vốn rất nhạy cảm với điện áp và cách điện dự trữ của chúng rất mong manh vì thế cần phải tính toán lựa chọn, phối hợp và kiểm tra các thiết bị bảo vệ chống quá áp một cách hiệu quả, chính xác để tránh xảy ra hư hỏng cho các thiết bị này

Do các thiết bị chống quá áp là thiết bị phi tuyến cho nên việc đánh giá các đáp ứng ngõ ra ứng với sóng sét lan truyền với mức chính xác cao theo phương pháp giải tích truyền thống gặp nhiều khó khăn Bên cạnh đó, do nước ta vẫn còn bị hạn chế về trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phòng thí nghiệm cao áp còn khiêm tốn nên rất khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền

tại Việt Nam Tuy nhiên, ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật mô hình hoá và mô phỏng đã giúp cho chúng ta hiểu biết thêm về sự tương tác giữa các yếu tố cấu thành một hệ thống cũng như toàn bộ hệ thống, đặc biệt là rất hữu ích cho việc mô phỏng sét

Hiện nay, các nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp cùng một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đã đề

ra mô hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng

mô hình khác nhau Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hoá mô phỏng

và yêu cầu về mức độ chính xác, mức tương đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu, các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các thiết bị chống sét lan truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển

Luận văn này đi sâu vào nghiên cứu mô hình các thiết bị chống quá áp do sét trên đường nguồn hạ áp, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống quá áp Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá áp dưới tác động của xung sét lan truyền và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền

2 Nguyên nhân hình thành sét:

Cơ chế hình thành một cơn sét nói chung khá phức tạp, có nhiều công trình nghiên cứu về quá trình nhiễm điện của một đám mây dông cũng như cơ chế phát triển của tia sét hướng xuống đất, ngoài ra cũng còn nhiều vấn đề khác liên quan đến sét và chúng tôi mong rằng sẽ có dịp được trình bày chi tiết hơn trong các bài báo khác, ở đây chúng tôi chỉ xin đề cập đến một giả thuyết phổ biến nhất để giải thích nguyên nhân tạo dông sét như sau :

Hình : Cơ bản nguyên nhân hình thành sét

Dông là hiện tượng khí quyển liên quan với sự phát triển mạnh mẽ của đối lưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển, nó thường xảy ra vào mùa hè là thời điểm mà sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất và không khí rất lớn Những luồng không khí nóng mang theo hơi nước bay lên đến một độ cao nào đấy và nguội dần, lúc đó hơi nước tạo thành những giọt nước nhỏ hay gọi là tinh thể băng chúng tích tụ trong không gian dưới dạng những đám mây Trái đất càng bị nóng thì không khí nóng càng bay lên cao hơn, mây càng dày hơn đến một lúc nào đó thì các tinh thể băng trong mây sẽ lớn dần

và rơi xuống thành mưa Mây càng dày thì màu của nó càng đen hơn Sự va chạm của các luồng khí nóng đi lên và các tinh thể băng đi xuống trong đám mây sẽ làm xuất hiện các điện tích mà ta gọi là đám mây bị phân cực điện hay đám mây tích điện Các phần tử điện tích âm có khối lượng lớn nên nằm dưới đáy đám mây còn các phần tử điện tích dương nhẹ hơn nên bị đẩy lên phần trên của đám mây

Như vậy, trong bản thân đám mây đã hình thành một điện trường cục bộ của một lưỡng cực điện và dưới tác dụng của điện trường cục bộ này các phần tử sẽ di chuyển nhanh hơn, điện tích được tạo ra nhiều hơn và điện trường càng mạnh hơn Quá trình này tiếp diễn cho đến lúc điện trường đạt giá trị tới hạn và gây ra phóng điện nội bộ

trong đám mây mà ta gọi là chớp

Ngoài ra khoảng không gian bên dưới đám mây thường có một lớp điện tích dương gọi là điện tích không gian vì vậy giữa phần đáy đám mây mang điện âm và lớp điện tích dương này lại hình thành một điện trường riêng và chính điện trường này làm phát sinh một tia sét ban đầu gọi là dòng tiên đạo di chuyển xuống đất với tốc độ khoảng 150km/s Trong quá trình phát triển xuống đất, dòng tiên đạo mang theo một điện thế rất lớn sẽ ion hóa lớp không khí trên đường đi của nó, nơi nào có cách điện không khí yếu thì dòng tiên đạo sẽ phát triển về hướng đó vì vậy ta thấy dòng tia sét

đi xuống không phải là đường thẳng mà thường có dạng ngoằn ngoèo, phân nhánh Ngoài ra do hiệu ứng cảm ứng điện nên phần mặt đất nằm bên dưới đám mây dông sẽ mang một lượng điện dương Lượng điện này sẽ phân bố trên các vật có khả năng dẫn điện như nhà cửa, cây cối, công trình, trụ điện, tháp anten , vật nào dẫn điện càng tốt thì điện tích phân bố trên vật đó càng lớn và điện trường của nó càng mạnh so với các vật xung quanh Vì vậy, khi dòng tiên đạo phát triển xuống gần mặt đất thì nó sẽ chọn vật có điện trường mạnh nhất để đánh vào mà ta gọi là phóng điện sét, nơi tiếp xúc của chúng gọi là kênh sét Đây là thời điểm trao đổi điện tích giữa đám mây và mặt đất được gọi là giai đoạn trung hòa điện tích, dòng điện trong kênh sét lúc này rất lớn có thể đến 200kA nên bị nóng lên rất mạnh khoảng 20.0000C và do đó ta thấy nó

sáng chói lên (cũng được gọi là chớp) Dưới tác dụng của nhiệt độ này, lớp không khí chung quanh kênh sét bị giãn nỡ mạnh gây ra tiếng nổ lớn mà ta gọi là sấm Do ánh sáng có vận tốc lớn hàng triệu lần so với âm thanh nên ta thấy ánh chớp trước rồi sau

đó một lúc mới nghe thấy tiếng sấm

3 Tính cấp thiết của đề tài

Theo ước tính của các nhà chuyên môn, trên khắp mặt địa cầu, cứ mỗi giây, có khoảng 100 lần sét đánh xuống mặt đất Sét không những có thể gây thương vong cho con người mà còn có thể phá hủy những tài sản của con người như các công trình xây dựng, công trình cung cấp năng lượng, hoạt động hàng không, các thiết bị dùng điện, các Đài Truyền Thanh – Truyền Hình, các hệ thống thông tin liên lạc

Theo tính toán của các nhà khoa học, vào một thời điểm bất kỳ, trên trái đất chúng ta đang sống có khoảng 2000 cơn dông hoạt động Mỗi cơn dông trung bình thường kéo dài từ 2 đến 4 giờ đồng hồ và có thể tạo ra 1000, 2000 cú phóng điện xuống mặt đất Người ta đã từng ví, cơn dông như một nhà máy điện có công suất khoảng vài trăm MW với điện thế lên tới hàng tỷ V, nguồn điện của một tia sét xuất hiện trong cơn dông có thể dùng để thắp sáng bóng đèn 100W trong vòng 3 tháng Với cường độ mạnh như vậy, dông sét là một trong số những hiểm họa thiên tai vô cùng nguy hiểm đối với tính mạng con người và gây ra những thiệt hại rất lớn về tài sản vật chất Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét Số ngày dông có ở Việt Nam trên nhiều khu vực thuộc loại khá lớn Số ngày dông cực đại là 113,7 (tại Đồng Phú), số giờ dông cực đại là 433,18 giờ tại Mộc Hóa Sét có cường độ mạnh ghi nhận được bằng dao động ký tự động có biên độ Imax = 90,67kA (Số liệu của Viện Nghiên Cứu Sét Gia sàng Thái Nguyên) Hằng năm, ngành điện Việt Nam có khoảng vài ngàn sự

cố, 50% trong số đó là do sét gây ra

Năm 1769, khi đó nhân loại chưa biết đến những thiết bị chống sét như ngày nay Một thảm hoạ đã xảy ra khi sét đánh trúng kho dự trữ thuốc nổ hơn 1000 tấn tại một thành phố của Italia Cả toà nhà nổ tung và làm chết hơn 3000 người sống trong thành phố Cho đến khi phát minh đầu tiên của nhà bác học Franklin về chiếc cột thu lôi ra đời, những thiệt hại khủng khiếp do sét đánh như thế không còn xảy ra nữa Kể từ đó đến nay, tuy không chế ngự được hoàn toàn, nhưng những thiết bị chống sét đã góp phần giảm thiểu đáng kể thiệt hại do sét gây ra nhằm bảo vệ cuộc sống con người Trải qua hơn 200 năm kể từ khi xuất hiện chiếc cột thu lôi đầu tiên, công nghệ phòng chống sét ngày càng được hoàn thiện và hiệu quả hơn

Đặc biệt ngày 4/6/2001, sét đánh nổ một máy cắt 220kV của nhà máy thủy điện Hòa Bình Sự cố khiến lưới điện miền Bắc bị tan rã mạch, nhiều nhà máy bị tách ra khỏi hệ thống Hiện nay, chống sét trực tiếp đã được tương đối với các giải pháp từ cổ điển (kim Franklin, lồng Faraday, kết hợp kim lồng) đến hiện đại (kim thu sét phóng điện sớm – hệ thống SYSTEM 3000 của hãng Erico Ligthning Technologies) Tuy nhiên, theo thống kê hơn 70% hư hỏng do sét gây ra lại do sét đánh lan truyền cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu Do việc chống sét lan truyền chưa được quan tâm một cách đầy đủ nên thiệt hại do sét lan truyền gây ra rất lớn do thiết bị bị phá hỏng hay ngừng dịch vụ Vì vậy, việc đề ra các giải pháp và cung cấp các thiết bị chống sét lan truyền theo công nghệ mới là cấp bách và cần thiết Một thực tế nữa là ở Việt Nam các mô hình thử nghiệm hay nguồn phát xung sét chưa có hoặc đã có nhưng được giữ bản quyền bởi các hãng sản xuất thiết bị chống sét nước ngoài nên việc đánh giá các thiết bị chống sét lan truyền nói riêng còn hạn chế Do đó, cần phải dựa vào các phần mềm mô phỏng để đánh giá các phần tử của thiết bị chống sét thay cho các mô hình cụ thể Ngoài ra, khi mô phỏng bằng phần mềm kết quả có

độ tin cậy và chính xác cao Luận văn này dựa trên việc nghiên cứu mô hình các thiết

bị chống sét quá áp, các mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn, từ đó thành lập các

mô hình và mô phỏng để so sánh, đánh giá và rút ra các yếu tố ảnh hưởng hiệu quả ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ và nâng cao độ tin cậy trong quá trình vận hành Các yếu tố ảnh hưởng này bao gồm công nghệ chống sét, sự lựa chọn phối hợp bảo vệ của các thiết bị chống quá áp và đánh giá hiệu quả bảo vệ của các thiết bị lọc sét

II MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của luận văn là tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp đối với một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành nhằm tối ưu hóa các tính năng bảo vệ và nâng cao độ tin cậy trong quá trình vận hành Cụ thể luận văn có các nhiệm vụ như sau:

1 Giới thiệu tổng quan về chống sét lan truyền

2 Tìm hiểu công nghệ chống sét lan truyền hiện đại & giới thiệu phần mềm ứng dụng MATLAB

3 Mô hình và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp

4 Mô hình máy phát xung sét chuẩn

5 Đánh giá các giải pháp chống sét lan truyền trong mạng hạ áp

2 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu các tiêu chuẩn chống sét trong và ngoài nước

- Nghiên cứu cấu tạo, tính năng, phối hợp bảo vệ của các thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp

- Mô hình hoá và mô phỏng thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp

- Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng mô hình hóa mô phỏng

- Đánh giá các giải pháp chống sét lan truyền trong mạng hạ áp

3 Điểm mới của luận văn

- Mô hình và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp

- Tính toán hệ số dự trữ, xây dựng đặc tuyến liên hệ của hệ số dự trữ theo sai số điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV hạ thế mắc song song

- Xây dựng phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường

- Xây dựng đặc tính liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng trên thị trường

- Đánh giá các giải pháp chống sét lan truyền trong mạng hạ áp

4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

- Cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá áp do sét lan truyền dưới tác động của xung sét lan truyền và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống quá áp đa cấp trong các công trình

- Đề tài có khả năng phát triển ở những cấp nghiên cứu cao hơn với điều kiện cho phép

- Tài liệu này sẽ giúp cho học viên hiểu sâu hơn về sự tương tác của các phần tử trong một hệ thống, đặc biệt là trong hệ thống chống quá áp do sét lan truyền

Ngoài ra, còn giúp cho người học những kinh nghiệm trong công tác thực hành lập mô hình và mô phỏng thiết bị trên các phần mềm tương tự

- Với mức độ phát triển về công nghệ thông tin như hiện nay, hoàn toàn cho phép thực hiện những mô phỏng chi tiết hơn, gần với thực tế hơn Làm tiền đề cho công tác nghiên cứu chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp phù hợp với điều kiện môi trường, phân bố sét và sự phát triển của mạng điện Việt Nam

4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu từ các nguồn khác nhau như sách báo, tạp chí và Internet

- Tổng hợp và phân tích tài liệu

- Mô hình hóa & mô phỏng matlab

5 Nội dung luận văn

Luận văn gồm 5 chương:

- Chương mở đầu

- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về chống sét lan truyền

- Chương 2: Tìm hiểu công nghệ chống sét lan truyền hiện đại & giới thiệu phần mềm matlab

- Chương 3: Mô hình mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ

áp

- Chương 4: Mô hình máy phát xung sét chuẩn

- Chương 5: Đánh giá các giải pháp chống sét lan truyền trong mạng hạ áp

- Chương kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN

TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP & PHẦN MỀM MATLAB

1.1 GIỚI THIỆU

Bảo vệ hệ thống điện xoay chiều hạ áp chống lại các hiện tượng quá áp quá độ đang là mối quan tâm chủ yếu để bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp, bảo đảm an toàn cho các thiết bị Hiện nay các thiết bị điện-điện tử có mức điện áp chịu xung thấp ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, phương pháp hữu hiệu và kinh

tế nhất để bảo vệ quá áp cho thiết bị chính là chọn và lắp đặt các thiết bị bảo vệ có khả năng làm việc lâu dài và đáng tin cậy

Việc sử dụng ngày càng nhiều các phần tử bán dẫn trong hệ thống điện hiện đại đã dẫn đến sự tăng cường mối quan tâm về độ tin cậy của hệ thống Đây là kết quả của việc các phần tử bán dẫn rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều Việc sử dụng các phần tử bán dẫn ban đầu cũng bị hư hỏng rất nhiều mà không thể giải thích Nghiên cứu các hư hỏng này cho thấy chúng bị hư hỏng là do các điều kiện quá áp khác nhau xuất hiện trong hệ thống phân phối Điện áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột của năng lượng tồn tại trước đó từ các điều kiện như sét đánh, đóng cắt tải có tính cảm, xung điện từ hay phóng điện các điện cực Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá độ phụ thuộc vào tần

số xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng sóng của quá độ

Quá áp trong mạch điện chính xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh cửu hay tạm thời của các phần tử điện tử và hệ thống Bảo vệ chống lại quá áp quá độ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà sẽ giới hạn biên độ của quá áp quá độ bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bởi việc làm trệch hướng quá độ bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt

Các nhà thiết kế khôn ngoan sẽ quyết định sự cần thiết của việc bảo vệ quá áp quá độ trong giai đoạn thiết kế sớm nhất Nếu không phải tốn nhiều thời gian để thấy thật cần thiết phải trang bị các bộ bảo vệ quá áp quá độ cho các thiết bị hiện hữu Điều này sẽ tốn nhiều tiền do phải tạm ngưng hoạt động của các máy móc của khách hàng

và phải chịu tổn thất kinh doanh tiềm tàng khi ngừng hoạt động Không kể đến trong một số hệ thống việc trang bị thêm các bộ bảo vệ quá áp sẽ làm hệ thống trở nên mất ngăn nắp bởi vì không gian yêu cầu cho chúng không có trong thiết kế ban đầu Các

thiết bị được chọn bảo vệ hệ thống phải có khả năng làm tiêu tán năng lượng xung của quá độ vì thế hệ thống đang được bảo vệ sẽ không còn bị ảnh hưởng

Hiện nay, các thiết bị sử dụng công nghệ bán dẫn ngày càng được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện Các phần tử bán dẫn này rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều

Quá áp trong mạch điện xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh cữu hay tạm thời của các phần tử điện – điện tử và hư hỏng kể cả hệ thống điện Việc bảo vệ chống lại quá áp quá độ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà nó sẽ giới hạn biên độ của quá áp bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt

Trong đó, quá áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột năng lượng tồn tại trước đó từ các điều kiện tự nhiên như sét đánh hoặc điều kiện phát sinh từ việc đóng cắt tải có tính cảm hay việc phóng điện các điện cực Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá áp phụ thuộc vào tần xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng song của quá áp

Sóng quá điện áp có dạng sóng xung gia tăng đột ngột (do sét hay do các thao tác đóng cắt có tải trên lưới) và có khả năng gây hư hỏng các thiết bị, mạng máy tính, các thiết bị trong mạng viễn thông…mà trong vấn đề vận hành rất khó phát hiện, đặc biệt là các thiết bị điện tử rất nhạy cảm

Hình 1.1 Dạng sóng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp (với thời gian ngắn là 1ms)

Một trong các thông số cần quan tâm khi thiết kế và lựa chọn thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn và đường tín hiệu là tần suất xuất hiện sét, dạng sóng và xung sét lan truyền

1.2 TẦN SUẤT XUẤT HIỆN SÉT

Mối quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ dòng sét được trình bày ở hình 1.2 Giá trị đỉnh dòng sét kA

Hình 1.2 Quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ

- Khoảng 40% cơn sét có dòng sét lớn hơn 20kA

- Khoảng 5% cơn sét có dòng sét lớn hơn 60kA (hoặc 95% cơn sét có dòng sét dưới 60kA)

- Khoảng 0,1% cơn sét có dòng sét lớn hơn 200kA

(Dữ liệu được thống kê trên 5,4 triệu lần sét đánh từ năm 1995 – 2005 của Meteorage.)

Hình 1.3 Sét đánh trực tiếp vào kim thu Hình 1.4 Sét đánh trực tiếp vào đường sét trên đỉnh công trình dây trên không lân cận công trình

 Dạng sóng 10/350 µs đƣợc biểu diễn trong hình 1.5

Hình 1.5 Dạng sóng 10/350µs

1.3.2 Dạng sóng 8/20µs

Dạng sóng 8/20µs thường là xung sét cảm ứng do sét đánh vào đường dây trên không cách công trình một khoảng cách xa hoặc do sét đánh vào một vật gần đường dây trên không hoặc do sự gia tăng điện thế đất do sét đánh vào vị trí gần công trình

Hình 1.6 Sét đánh vào đường dây trên không ở vị trí cách xa công trình

Hình 1.7 Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình

 Dạng sóng 8/20µs đƣợc biểu diễn trong hình 1.8

Hình 1.8 Dạng sóng 8/20µs

1.4 BIÊN ĐỘ XUNG SÉT

Biên độ xung sét lan truyền trên đường nguồn phụ thuộc vào vị trí công trình, mức độ lộ thiên của công trình và vị trí tương quan của công trình đối với các công trình lân cận, mật độ sét tại khu vực cần bảo vệ và cấu trúc của đường dây tải điện trên không hay đi ngầm

Hình 1.9 Lựa chọn SPD theo mức độ lộ thiên của công trình

1.4.1 Hiện tƣợng quá độ

Vấn đề căn bản chính là sự xuất hiện các xung quá áp trên điện áp bình thường của hệ thống Quá áp trong hệ thống điện đôi lúc có thể giải thích và đôi khi lại thật khó giải thích; chúng là một dạng nhiễu loạn, sự tăng lên, sự sụt xuống, sự cắt điện hay là sự kết hợp các yếu tố trên và đây là các khái niệm tổng quát hóa về hiện tượng quá độ Một kết quả phổ biến khi hiện tượng quá áp này xuất hiện là sự hư hỏng nhanh chóng của các phần tử bán dẫn và các phần tử nhạy cảm khác Một ảnh hưởng

nghiêm trọng khác là sự mất khả năng điều khiển hệ thống logic, khi đó hệ thống có thể hiểu các xung quá độ là tín hiệu điều khiển và cố gắng thực hiện theo

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định nguyên nhân của xung quá độ trong hệ thống điện, và kết quả thu được có thể cho là do một trong những nguyên nhân sau:

- Sét

- Đóng, cắt các tiếp điểm ở trạng thái mang tải

- Sự lan truyền xung thông qua các máy biến áp

- Sự thay đổi tải trong các hệ thống gần kề

- Sự dao động và các xung công suất

- Ngắn mạch hay nổ cầu chì

Hệ thống điện gồm một mạng lớn các đường dây truyền tải, phân phối nối với nhau và thường bị nhiễu bởi các quá độ bắt nguồn từ một trong các nguồn đã đề cập ở trên

Quá độ do sét có thể tạo ra một dòng điện rất cao trong hệ thống Các tia sét này thường đánh vào các dây truyền tải sơ cấp, nhưng có thể truyền qua các dây thứ cấp thông qua các điện cảm hay tụ điện mắc trong mạch Đôi khi các tia sét đánh trực tiếp vào hệ thống bảo vệ chống sét hay các cấu trúc kim loại của các tòa nhà cũng gây nên hiện tượng quá áp trên hệ thống điện trong tòa nhà do việc lan truyền của xung sét Thậm chí khi tia sét không đánh trúng đường dây cũng có thể cảm ứng một điện

áp đáng kể trên đường dây sơ cấp, các chống sét van hoạt động và sinh ra quá độ

Quá độ do đóng cắt ít nguy hiểm hơn nhưng xảy ra thường xuyên hơn Đóng cắt lưới điện có thể gây ra quá độ làm hư hỏng các thiết bị đấu nối trên lưới Việc sử dụng các thyristor trong mạch đóng cắt hay điều khiển công suất cũng có thể tạo ra quá độ như vậy

Nghiên cứu và thực nghiệm đã cho thấy trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều công nghiệp hay dân dụng, biên độ của quá độ tương ứng với tỷ lệ xuất hiện của nó,

ví dụ như biên độ quá độ nhỏ thì xuất hiện thường hơn Tổ chức IEEE và ANSI, đã thiết lập một tài liệu cung cấp các nguyên tắc chủ yếu về các điều kiện quá độ có thể bắt gặp trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều Tài liệu này được gọi là tiêu chuẩn IEEE/ANSI C62.41 được phát triển năm 1980 Từ sự bắt đầu này, nhiều kiến thức chính xác hơn đã được cập nhật và tạo thành một tiêu chuẩn có giá trị hơn

1.4.2 Tỷ lệ xuất hiện của hiện tƣợng quá độ

Tỷ lệ xuất hiện của các xung quá độ khác nhau rất nhiều và phụ thuộc vào từng

hệ thống Tỷ lệ này liên quan với biên độ của các xung, và xung có biên độ nhỏ thì xuất hiện nhiều hơn xung biên độ cao Theo số liệu thống kê được, xung 1kV hay nhỏ hơn thì tương đối phổ biến, trong khi xung 3kV thì hiếm hơn Hình 1.10 đã minh họa các dữ liệu thu thập được về số lần xuất hiện của các xung quá độ cùng với giá trị đỉnh của nó từ các nghiên cứu đã thực hiện Số lần xuất hiện của các xung quá độ

được mô tả bởi các đường giới hạn thấp, trung bình và cao: “low exposure”, “medium exposure” và “high exposure”

Hình 1.10: Tỷ lệ xuất hiện của xung theo biên độ điện áp tại các khu vực không được

bảo vệ

Vùng xuất hiện thấp (low exposure) là vùng có rất ít xung sét hoạt động và số

lần đóng cắt tải trong hệ thống điện xoay chiều cũng rất ít Vùng xuất hiện trung bình

(medium exposure) là vùng xung sét hoạt động cao hơn và quá độ do đóng cắt xảy ra

thường xuyên, nguy hiểm hơn Khi thiết kế mang tính tổng thể, thiết thực, lâu dài, ít nhất phải thiết kế thiết bị trong điều kiện như được đặt trong vùng xuất hiện xung quá

độ trung bình Vùng xuất hiện cao (high exposure) rất hiếm xảy ra nhưng trên thực tế

vẫn xuất hiện đối với hệ thống được cung cấp bởi các đường dây truyền tải dài trên không và còn tùy thuộc vào sự phản xạ tại cuối đường dây, trường hợp này mức phóng điện của các khe hở thì cao

Quá độ do phóng điện trong hệ thống điện xoay chiều hạ áp sẽ sinh ra một năng lượng cao, xung trở kháng thấp Cách xa nguồn quá độ, tại vị trí thiết bị bảo vệ được đặt, năng lượng quá độ sẽ giải phóng qua trở kháng của dây dẫn và nhiều thiết bị

sẽ được bảo vệ hơn Vì thế, cho phép nhiều bộ bảo vệ quá áp kích cỡ khác nhau được

sử dụng tại các vị trí khác nhau trong hệ thống

1.4.3 Hiện tƣợng quá độ tiêu biểu

Bảng 1.1 trình bày điện áp và dòng điện xung được cho là điển hình của quá độ trong hệ thống xoay chiều hạ áp trong nhà Khi quyết định chọn loại thiết bị như là bộ bảo vệ quá áp quá độ, bảng này chính là tài liệu tham khảo Ít nhất là thiết bị bảo vệ phải đáp ứng điều kiện trong mục A, còn tốt nhất là thiết bị phải vượt qua được các quá độ xuất hiện trong mục B

Bảng 1.1: Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà

Nghiên cứu trong mạng điện hạ áp trong nhà phát hiện rằng quá độ bắt gặp trong mục A (mạch nhánh dài và mạch ra) có dạng sóng với tần số thay đổi từ 5kHz đến hơn 500kHz; trong đó dạng sóng với tần số 100kHz được xem là phổ biến nhất (Hình 1.11a) Xung đo được tại đường nguồn trong mục B (mạch cung cấp chính và mạch nhánh ngắn), dao động và không trực tiếp trong tự nhiên Dạng xung sét đã được chuẩn hóa: sóng áp 1.2/50 s và sóng dòng 8/20s (Hình 1.11b) Theo phụ lục 2

Hình 1.11a: Dạng sóng 0.5s-100kHz (áp mạch hở)

Dạng sóng mạch hở Dạng sóng dòng phóng điện

Hình 1.11b: Dạng sóng gián tiếp (phía ngoài)

1.4.4 Bảo vệ quá độ

Các phần trên đã trình bày sự cần thiết của các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ trong thiết kế thiết bị điện trong hệ thống, phần tiếp theo là phải chọn kỹ thuật bảo vệ loại nào và cách sử dụng của từng loại ra sao? Các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ được chọn phải có khả năng triệt xung quá áp đến dưới mức ngưỡng hư hỏng của thiết bị được bảo vệ, và các thiết bị bảo vệ này phải vượt qua một số xác định các trường hợp quá độ nguy hiểm nhất Khi so sánh các thiết bị khác nhau, quyết định đưa ra phải căn

cứ trên các đặc điểm: mức độ bảo vệ yêu cầu, tuổi thọ, giá tiền và kích cỡ thiết bị

Có một số kỹ thuật khác nhau có thể sử dụng trong các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ trong hệ thống hạ áp chính Nhưng nhìn chung, các kỹ thuật này có thể chia thành 2 nhóm chính:

a/ Kỹ thuật làm suy giảm quá độ, từ đó có thể ngăn chặn sự lan truyền của chúng trong mạch điện nhạy cảm

b/ Kỹ thuật làm trệch hướng quá độ khỏi các thiết bị tải điện nhạy cảm và từ đó giới hạn điện áp dư

Kỹ thuật làm suy giảm quá độ chính là ngăn chặn sự lan truyền quá độ từ nguồn của nó hay là ngăn chặn ảnh hưởng của nó lên các thiết bị tải nhạy cảm Việc này được thực hiện bằng cách lắp đặt các bộ lọc hay là máy biến áp cách ly nối tiếp với mạch điện Các bộ cách ly làm suy giảm quá độ (tần số cao) và cho tín hiệu hay công suất (tần số thấp) chảy tiếp tục trong mạch, không bị nhiễu loạn

Kỹ thuật làm trệch hướng quá độ có thể thực hiện với một loại thiết bị dạng đòn bẫy (crowbar) hay với một thiết bị dạng kẹp áp Thiết bị dạng đòn bẫy (crowbar) bao gồm một hoạt động đóng cắt, có thể bằng cách đánh thủng cách điện của khí giữa các điện cực hay là đóng cắt một khóa thyristor Sau khi khóa đóng, chúng sẽ tạo ra một đường dẫn trở kháng rất thấp làm trệch hướng quá độ khỏi các thiết bị tải mắc song song Thiết bị dạng kẹp áp có trở kháng thay đổi rất lớn phụ thuộc vào dòng chảy qua thiết bị hay là áp ở hai đầu thiết bị Các thiết bị này có đặc tính của một điện trở phi tuyến Giá trị điện trở thay đổi liên tục, không gián đoạn ngược với các thiết bị dạng đòn bẫy (crowbar) chỉ có đóng hoặc cắt

1.5 Các thiết bị bảo vệ quá áp

1.5.1 Bộ lọc

Việc lắp đặt một bộ lọc nối tiếp với các thiết bị dường như là một giải pháp hiển nhiên có tác dụng giảm quá áp Trở kháng của bộ lọc thông thấp, ví dụ như tụ điện, làm thành bộ ngăn cách áp với trở kháng nguồn Khi tần số của quá độ lớn hơn

một vài lần tần số làm việc của mạch điện xoay chiều, bộ lọc sẽ làm việc và làm suy giảm quá độ ở tần số cao Một cách đáng tiếc, cách tiếp cận đơn giản này có thể có một vài ảnh hưởng không mong muốn bên cạnh:

a/ Sự cộng hưởng không mong muốn với thành phần cảm kháng trong hệ thống

sẽ dẫn đến đỉnh áp tăng cao

b/ Dòng điện quẩn cao trong suốt quá trình đóng cắt

c/ Tải phản kháng quá mức trong điện áp hệ thống điện

Những ảnh hưởng không mong muốn này có thể giảm bớt nếu lắp thêm một điện trở nối tiếp, vì thế việc sử dụng các bộ giảm sóc (snubber) RC ngày càng thông dụng Tuy nhiên, việc lắp thêm trở kháng này sẽ làm giảm tác dụng kẹp điện áp

Có một giới hạn cơ bản về cách sử dụng bộ lọc cho việc bảo vệ quá áp Bộ lọc

có đáp ứng như là một hàm tuyến tính của dòng điện Đây là một bất lợi lớn trong trường hợp không biết nguồn quá độ và phải giả định trở kháng nguồn hay điện áp hở mạch Nếu sự giả định đặc tính của quá độ tác động sai, hậu quả là bộ bảo vệ quá áp tuyến tính không còn tác dụng Một thay đổi nhỏ của trở kháng nguồn có thể làm tăng điện áp kẹp một cách không tương xứng

1.5.2 Máy biến áp cách ly

Tổng quát, máy biến áp cách ly gồm hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, với tấm chắn tĩnh điện giữa các cuộn dây Máy biến áp cách ly được đặt giữa nguồn và thiết bị được yêu cầu bảo vệ Như tên gọi, không có đường dẫn nào giữa cuộn sơ và cuộn thứ cấp Đã có một sự tin tưởng rộng rãi là “máy biến áp cách ly làm suy giảm các gai nhọn điện áp” và “quá độ không thể vượt qua các cuộn dây của máy biến áp” Khi được ứng dụng một cách đúng đắn, máy biến áp cách ly có tác dụng cắt mạch vòng nối đất, ví dụ như ngăn chặn điện áp làm việc chung

Thật đáng tiếc, một máy biến áp cách ly đơn giản không cung cấp sự suy giảm trong các phương thức làm việc khác nhau Vì thế một quá độ phương thức khác có thể truyền xuyên qua các cuộn dây của thiết bị Cũng vậy máy biến áp cách ly sẽ không có tác dụng điều khiển điện áp

1.5.3 Khe hở phóng điện

Khe hở phóng điện là một kỹ thuật triệt xung quá áp dạng đòn bẫy Trong suốt quá trình quá áp, thiết bị đòn bẫy thay đổi từ cách điện sang dẫn điện gần như lý tưởng Thiết bị đòn bẫy triệt quá độ bởi một lực rất mạnh, (chúng có hiệu quả như việc thả một đòn bẫy kim loại băng ngang hệ thống) Dạng chính của thiết bị đòn bẫy

là chống sét van ống phóng khí

Khe hở phóng điện đầu tiên được đề cập là các khối carbon Các bộ triệt xung khối carbon này sử dụng nguyên tắc hồ quang điện áp xuyên qua khe hở không khí Khe hở kích thước nhỏ nhất được dùng để cung cấp mức độ bảo vệ thấp nhất mà không gây nhiễu hoạt động bình thường của hệ thống Khi một quá áp quá độ xuất hiện trong hệ thống, khe hở không khí trong khối carbon sẽ bị ion hóa và bị đánh thủng Sự đánh thủng khe hở tạo thành một đường dẫn đến đất với trở kháng rất thấp

vì thế làm trệch hướng xung quá độ khỏi các thiết bị Ngay sau khi tình trạng quá áp kết thúc, khe hở không khí phục hồi và hệ thống hoạt động tiếp tục

Sự bất lợi của kỹ thuật khe hở phóng điện khối carbon là các xung phá hủy bề mặt của khối carbon trong khoảng thời gian ngắn, vì thế tạo ra các mảnh nhỏ của bề mặt chất liệu trong khe hở Chất liệu này tích tụ sau một số xung và cuối cùng là thu ngắn khe hở lại dẫn đến phải thay thiết bị bảo vệ Một bất lợi khác của kỹ thuật này là khó để điều khiển chính xác đặc tính đánh thủng trên một dãy điều kiện hoạt động rộng và khác nhau của thiết bị

Trong quá trình cố gắng khắc phục các bất lợi của khối carbon, một khe hở phóng điện kín được phát triển sử dụng khí trơ trong một vỏ bọc gốm (ceramic) Kỹ thuật này được biết như là chống sét van xung dạng ống phóng khí Trong chế độ không dẫn điện, trở kháng của nó lên đến hàng GOhm Khí này bị ion hóa tại một điện áp định trước và cung cấp một đường dẫn đến đất có trở kháng cực thấp Ngay sau khi tình trạng quá áp kết thúc, khí này hết bị ion hóa và mạch điện phục hồi lại hoạt động bình thường tiếp tục

Ống phóng khí là một thiết bị 2 chiều vốn có và bao gồm 2 hay 3 cực nằm đối diện nhau trong một buồng bịt kín Khi mà điện áp ngang qua ống phóng khí vượt quá một giới hạn nào đó, như là điện áp đánh thủng hay điện áp cháy, nó sinh ra hồ quang điện Hồ quang này giới hạn điện áp của các thiết bị nối với nó Ống phóng khí có điện áp cháy một chiều từ 150V đến 1000V Chúng có điện trở shunt nhỏ nhất trong tất cả các bộ triệt xung quá độ phi tuyến, nó khoảng vài mOhm Điện dung của chúng thì nhỏ từ 1pF đến 5pF, và chúng rất phổ biến trong các ứng dụng truyền tải tần số cao, chẳng hạn như hệ thống điện thoại Một thuận lợi của kỹ thuật này là nó có thể chịu đựng xung dòng cao (lên đến 20kA)

Trong các ứng dụng có điện áp hoạt động bình thường trong mạch xoay chiều chính, có khả năng ống phóng khí sẽ không phục hồi lại một khi nó đã cháy và triệt xung quá độ Điều kiện này phụ thuộc vào dòng điện mà được định nghĩa bởi ANSI như sau: “dòng điện chảy qua thiết bị tần số công nghiệp cung cấp bởi nguồn, dòng

điện kèm theo dòng phóng điện hồ quang” Dòng điện kèm theo này chảy trong khe

hở khí đã bị ion hóa sau khi quá điện áp chấm dứt và điều đáng quan tâm là dòng điện kèm theo này có thể không thể tự dập tắt khi dòng đi qua giá trị 0

1.5.4 Diod thác Silic

Mặc dù hiếm khi được sử dụng trong mạch điện xoay chiều chính, do khả năng chịu đựng xung quá độ rất thấp, diod thác silic là một bộ triệt xung quá độ tuyệt vời trong mạch điện điện áp thấp một chiều Diod thác được thiết kế với mối nối lớn hơn diod Zener tiêu chuẩn Mối nối lớn này tạo cho chúng khả năng giải phóng năng lượng lớn hơn diod Zener Diod thác cung cấp điện áp kẹp chặt nhất mà một thiết bị

có thể làm Khi điện áp cung cấp lớn hơn ngưỡng đánh thủng của thiết bị, diod sẽ dẫn điện theo hướng ngược lại

Công suất xung đỉnh định mức thường được cho trong bảng dữ liệu của diod Giá trị thông dụng là 600W và 1.500W Công suất xung đỉnh này là kết quả của dòng điện xung đỉnh định mức lớn nhất IPP và điện áp kẹp lớn nhất VC trong suốt khoảng thời gian quá độ xung 10/1000s Việc sử dụng công suất đỉnh định mức có thể nhầm lẫn khi xung quá độ khác 10/1000s Năng lượng định mức lớn nhất của những xung quá độ ngắn, không lặp lại được cung cấp tương tự như MOV có lẽ sẽ hữu ích hơn cho công tác thiết kế

Đặc tính V-I chính là đặc trưng tốt nhất của diod thác Một thiết bị hạ áp cực tốt Diod thác có khả năng kẹp điện áp tuyệt vời, nhưng chỉ vượt phạm vi dòng một chút (10 lần) Điểm bất lợi lớn nhất khi sử dụng diod thác như là bộ triệt xung quá độ trong mạch xoay chiều chính là khả năng chịu đựng dòng đỉnh thấp

1.5.5 Biến trở oxid kim loại (MOV)

Biến trở oxid kim loại (MOV) là một thiết bị phi tuyến có đặc tính duy trì mối quan hệ: điện áp 2 đầu của nó thay đổi rất ít trong khi dòng điện xung không đối xứng rất lớn chảy qua nó Hoạt động phi tuyến này cho phép MOV làm trệch hướng dòng điện xung khi mắc song song băng ngang đường dây và giữ điện áp ở mức mà bảo vệ được thiết bị nối với đường dây đó Bởi vì điện áp ngang qua thiết bị MOV được giữ tại một số mức cao hơn điện áp đường dây bình thường khi dòng xung chảy qua, nên

sẽ có năng lượng tồn tại trên biến trở trong suốt thời gian làm trệch hướng xung quá

độ của nó

Kỹ thuật dẫn điện cơ bản của MOV là kết quả của các mối nối bán dẫn (mối nối P-N) tại biên của các hạt oxid kẽm (ZnO) MOV là một thiết bị nhiều mối nối với

hàng triệu hạt hoạt động phối hợp mắc nối tiếp-song song giữa 2 điện cực Điện áp rơi trên 1 hạt đơn gần như là hằng số và không phụ thuộc vào kích cỡ của hạt

Biến trở oxid kim loại cấu tạo chính bởi oxid Zn cộng với một số kim loại như bismuth, cobalt, manganses và các oxid kim loại khác Cấu trúc biến trở gồm một ma trận các hạt oxid ZnO dẫn điện bị ngăn cách nhau bởi biên của các hạt, chính là mối nối P-N mang đặc tính bán dẫn Khi MOV tiếp xúc với xung, oxid ZnO biểu lộ đặc tính “hoạt động chủ yếu” cho phép nó dẫn một lượng lớn dòng mà không bị hư hỏng Hành động chủ yếu này có thể dễ dàng giải thích bởi việc hình dung cấu tạo của MOV gồm một dãy các mối nối P-N sắp xếp nối tiếp và song song vì thế dòng xung được chia nhỏ giữa các hạt Bởi vì trở kháng có hạn của các hạt, chúng hoạt động như các điện trở giới hạn dòng điện và do đó dòng điện được phân phối thông qua phần chủ yếu của chất liệu theo cách mà làm giảm sự tập trung dòng tại mỗi mối nối

Thiết bị MOV đã được nghiên cứu rất nhiều và trở thành một thiết bị bảo vệ quá áp hoàn thiện trên mạng xoay chiều hạ thế Bản chất chủ yếu của cấu trúc của nó

đã khiến nó có đủ khả năng để xử lý các hậu quả quá độ mức II từ các nguồn sét không trực tiếp

MOV vừa có giá cả hợp lý lại có nhiều kích cỡ và không có số lần vượt quá đáng kể Không có dòng điện chảy kèm theo tần số công nghiệp và thời gian đáp ứng của chúng thì đủ tốt hơn đối với các dạng quá độ trong mạch xoay chiều chính

Dưới điều kiện quá độ năng lượng cao vượt quá định mức thiết bị, đặc tính

V-I của biến trở được thay đổi Sự thay đổi này phản ánh qua việc giảm điện áp của biến trở Sau khi chịu một xung lần thứ hai hay thứ 3, điện áp biến trở có thể trở về giá trị ban đầu của nó Một cách thận trọng, giới hạn xung đỉnh đã được thiết lập, trong nhiều trường hợp, đã vượt quá nhiều lần mà không làm hư hại thiết bị Những nghiên cứu và kiểm tra thí nghiệm đã chỉ ra rằng sự giảm phẩm chất của MOV có lẽ là nguyên nhân ảnh hưởng đối với sự an toàn của thiết bị được bảo vệ sau khi một số xung vượt ngoài định mức của thiết bị Điều này không có nghĩa là giới hạn thiết lập

sẽ được bỏ qua nhưng lại được xem xét trong triển vọng định nghĩa một thiết bị hư hỏng Một thiết bị hư hỏng được định nghĩa bởi việc thay đổi 10% điện áp của biến trở tại 1mA Điều này không đưa đến kết quả là thiết bị đó không còn bảo vệ, nhưng đúng hơn đó là một thiết bị mà điện áp kẹp đã biến đổi một ít

1.6 CÁC THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP

1.6.1 Thiết bị cắt sét

Được mắc song song với tải, thiết bị này có nhiệm vụ tản năng lượng sét vào đất khi mạng điện hoạt động bình thường, thiết bị cắt sét là một điện trở có tổng trở rất lớn, nhưng lúc xuất hiện xung sét trên đường dây gây nên sự chênh lệch điện áp trên hai đầu thiết bị, nếu điện áp chênh lệch này vượt quá điện áp ngưỡng sẽ làm cho thiết bị hoạt động và dẫn phần lớn năng sét vào đất

Hình 1.12 Tủ phân phối chính với thiết bị chống sét trên đường truyền

Do thiết bị cắt sét chỉ có khả năng tiêu tán năng lượng sét và giới hạn điện áp mà không có khả năng giảm tốc độ biến thiên dòng sét di/dt và tốc độ biến thiên điện áp sét dV/dt Chính tốc độ tăng dòng và tăng áp này là nguyên nhân gây hư hỏng các thiết bị điện nhạy cảm Vì vậy, cần phải mắc thêm một thiết bị lọc sét vào phía sau thiết bị cắt sét nhằm đưa ra mức điện áp và tốc độ biến thiên dòng, áp thích hợp cho các loại thiết bị điện

Hình 1.13 Một số thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn và đường tín hiệu

1.6.2 Thiết bị lọc sét

Thiết bị lọc sét này được mắc nối tiếp với tải hoạt động của thiết bị là cho ra mức điện áp thích hợp với hầu hết các thiết bị điện, giảm điện áp dư sau khi đã qua thiết bị cắt sét, đảm bảo biên độ điện áp giảm qua thiết bị luôn nằm trong giới hạn cho phép (230V) và giảm khoảng 1000 lần tốc độ tăng áp, tăng dòng của sét vào thiết bị Thiết bị lọc sét còn hiệu chỉnh tốc độ biến thiên dòng điện và biến thiên điện áp của các dạng quá áp ở mức chấp nhận được Cáp vào ra khỏi bộ lọc (cả dây nối đất) nên được tách riêng với nhau một khoảng cách tối thiểu 300mm Điều này sẽ ngăn bất kỳ các quá độ đi vào cáp vào cảm ứng sang cáp ra (cáp sạch) Nếu không gian lắp đặt không cho phép nên đặt hai dây cáp này thẳng góc với nhau và không được nằm song song với nhau

1.7 CÁC TIÊU CHUẨN TRONG BẢO VỆ QUÁ ÁP

Với sự phát triển của thiết bị điện tử, thiết bị điện và điện tử dựa trên mạch điện bán dẫn và bộ vi xử lý được sử dụng rộng rãi Những thiết bị điện và điện tử tiên tiến này có khả năng chịu được dung lượng xung sét yếu Việc xuất hiện xung sét trong hệ thống nguồn cấp điện sẽ gây ra sự cố hoặc phá hủy các thiết bị này Quá điện

áp thay đổi khác nhau sinh ra bởi sét đánh và việc đóng cắt có tải là nguồn gốc chính của sự cố

Kết quả của việc quá áp hệ thống luôn luôn sinh ra từ sét đánh, nhưng nó lại không phải là kết quả từ việc sét đánh trực tiếp Thật ra, sự nguy hiểm của hầu hết thiết bị là do xung sét cảm ứng chạy dọc theo ống dẫn kim loại, cáp điện và các hệ thống đấu nối chung với hệ thống nối đất

Do đó, các thiết bị bảo vệ chống sét được sử dụng rộng rãi ở hệ thống phân phối hạ thế để chống lại sự ảnh hưởng của xung sét gây ra Việc lắp đặt và cấu hình của các thiết bị chống sét có liên quan đến xung sét trong những vùng khác nhau tùy theo vào loại cấp vị trí của ANSI/IEEE Std C62.41-1991 và cấp lắp đặt của IEC60664-1

1.7.1 Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE

Theo ANSI/IEEE Std C62.41-1991 định nghĩa có ba mức độ quá điện áp ở các công trình dựa trên các cấp vị trí như sau:

- Cấp C là vị trí của bên ngoài và đường nguồn hạ áp cấp điện cho tòa nhà

- Cấp B là cấp vị trí của đường dây cáp ngầm và mạch điện nhánh ngắn

- Cấp A là cấp vị trí lối ra và mạch điện nhánh dài, dài hơn 10m so với cấp B hoặc dài hơn 20m so với cấp C

1.7.2 Bảo vệ quá áp theo IEC

Theo IEC60664-1, có bốn mức quá độ điện áp được định nghĩa dựa trên cấp lắp đặt Quá điện áp loại IV dành cho thiết bị sử dụng ở ngõ vào tòa nhà (đường nguồn hạ áp) như đồng hồ điện, thiết bị công nghiệp và thiết bị bảo vệ quá dòng sơ cấp Thiết bị chịu được điện áp <6000V Quá điện áp cấp III dành cho thiết bị ở tủ điện chính và cho trường hợp mà ở đó độ tin cậy và tính sẵn sàng của thiết bị phụ thuộc vào những yêu cầu đặc biệt như các công tắc ở tủ điện chính Thiết bị này chịu được điện áp

<4000V

Quá điện áp loại II dành cho thiết bị tiêu thụ điện từ tủ điện chính như thiết bị, dụng cụ di động và thiết bị gia đình Ở thiết bị này thường chịu được điện áp <2500V Quá điện áp loại I dành cho thiết bị nối với mạch điện mà sự đo lườngđược đưa vào để giới hạn quá điện áp tạm thời ở mức thấp thích hợp như mạch điện tử Thiết bị nhạy cảm này chỉ chịu được điện áp <1500V

Hình 1.14 Các cấp độ bảo vệ quá áp dựa vào khả năng chịu quá áp của thiết bị

1.7.3 Hệ thống bảo vệ chống sét hạ áp

Để bảo vệ quá áp cho các thiết bị dùng điện trong nhà, người ta thực hiện lắp đặt các thiết bị chống sét theo các mạng khác nhau nhằm bảo vệ một cách có hiệu quả các thiết bị dùng điện

Cấu trúc hệ thống bảo vệ quá áp trong mạng hạ áp phải tuân thủ theo các yêu cầu khác nhau, cụ thể tùy thuộc vào:

Số lượng thiết bị, loại thiết bị bảo vệ quá áp, cách bố trí lắp đặt,…

Lắp đặt thiết bị bảo vệ sao cho giới hạn quá áp phù hợp với mức cách điện xung của thiết bị được bảo vệ

Khả năng chịu dòng ngắn mạch của thiết bị bảo vệ quá áp phải lớn hơn giá trị

dòng ngắn mạch có thể xuất hiện tại vị trí lắp đặt

Khoảng cách giữa các thiết bị bảo vệ và thiết bị được bảo vệ

 Đối với mạng điện 1 pha, 3 pha hạ áp thông thường thiết bị bảo vệ quá áp được

lắp đặt theo các trường hợp sau: (Hình 1.15a, 1.15b)

Hình 1.15a Cách lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế (loại đơn cực và đa cực) dùng

cho mạng điện 1 pha

Hình 1.15b Cách lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế (loại đơn cực và đa cực) dùng

cho mạng điện 3 pha

Từ cách bố trí, lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp, cấu trúc hệ thống bảo vệ quá áp đa cấp được trình bày qua Bảng 1.2

Mạng trung tính cách ly (trung tính máy biến áp cách ly với đất)

- DM (Differential Mode): Trạng thái này thiết bị bảo vệ quá áp được đặt giữa dây pha và dây trung tính của lưới điện

- CM (Common Mode): Trạng thái mà thiết bị bảo vệ được lắp đặt giữa dây pha và dây bảo vệ nối đất (PE), giữa dây trung tính và dây PE, giữa dây pha và dây PEN

Bảng 1.2 Trạng thái bảo vệ quá áp đối với lưới điện hạ áp

1.7.4 Chống sét lan truyền

Hệ thống chống sét lan truyền thường bao gồm các thiết bị sau:

 Thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn gồm có thiết bị cắt sét 1 pha, thiết

bị cắt sét 3 pha, thiết bị cắt lọc sét 1 pha và thiết bị cắt lọc sét 3 pha

 Thiết bị chống sét trên đường tín hiệu, viễn thông

 Cáp thoát sét

 Thiết bị đếm sét

 Hộp kiểm tra điện trở tiếp đất

 Hệ thống tiếp địa chống sét lan truyền

Hình 1.16 Hệ thống chống sét lan truyền

a) Chống sét lan truyền cho trạm biến áp ³ 1000v (1kv) :

 Dùng chống sét Van La (Lightning Arrester) lắp tại đầu đường dây vào trạm

biến áp để cắt xung điện sét xuống đất

Dùng chống sét van sơ cấp ( gọi là thiết bị cắt sét nguồn 3 pha hoặc 1 pha ), lắp song song với nguồn điện để cắt giảm xung điện sét lớn xuống đất Cấu hình của loại này gồm có 3 phần :

- Van cắt sét : Dùng để cắt xả xung điện sét lan truyền trên lưới hạ thế xuống

đất, trước khi nó có thể theo nguồn điện đi vào phụ tải

- Dây dẫn sét : Dùng để dẫn dòng sét từ điểm nút mạng đến van cắt sét & từ van cắt sét đến hệ thống tiếp đất

- Hệ thống tiếp đất : Dùng để tản dòng điện sét trong đất Cấu hình của hệ

thống tiếp đất này gồm :

- Các cọc tiếp đất : thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét Đường kính ngoài thường

là 14 – 16mm Được chôn thẳng đứng & cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét

- Dây tiếp đất : thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75mm2 dùng để

liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét - Oc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt CADWELD : dùng để liên kết dây tiếp đất & các cọc tiếp đất với nhau

Cấu tạo của van cắt sét : Van cắt sét được chế tạo từ ô xýt kim loại (metal oxide

varristor – mov) thường là ô xýt kẽm Đặc điểm của loại vật liệu này là chỉ có thể dẫn điện ở điện áp cao & sẽ trở thành vật cách điện ở điện áp thấp , điện áp càng cao thì dòng điện thông mạch càng lớn và điện áp càng giảm thì dòng thông mạch càng giảm

về zê rô ( còn gọi là khối điện trở phi tuyến)

Nguyên lý làm việc của van cắt sét : Khi sét đánh trực tiếp vào đường dây điện hạ

thế 3 pha 220/380vac – 50hz , hoặc sét đánh vào các vùng lân cận rồi cảm ứng vào đường dây hạ thế rồi lan truyền vào van cắt sét trước khi nó đến phụ tải ( các thiết bị dùng điện ) Xung điện sét này có biên độ điện áp lớn làm cho điện trở phi tuyến của van cắt sét ngưỡng dẫn , lúc này nó sẽ mở mạch để cho dòng điện sét đi qua nó xuống đất Khi xung điện sét giảm thấp đến dưới giá trị điện áp ngưỡng của van cắt sét thì điện trở phi tuyến của van cắt sét sẽ tăng nhanh để ngắt dòng cắt xung sét

 Dùng thiết bị cắt lọc sét (thường là lắp nối tiếp với phụ tải) để vừa cắt xung điện

sét , vừa lọc được các loại sóng hài , các nhiễu tần số cao của sét :

Cấu hình: loại này gồm có 3 phần :

- Thiết bị cắt lọc sét : Dùng để cắt xả xung điện sét lan truyền trên lưới hạ thế

xuống đất & lọc các sóng hài các nhiễu tần số cao trước khi chúng có thể theo nguồn điện đi vào phụ tải

- Dây dẫn sét : Dùng để dẫn dòng sét từ thiết bị cắt lọc sét sét đến hệ thống tiếp

đất

Hệ thống tiếp đất : Dùng để tản dòng điện sét trong đất Cấu hình của hệ

thống tiếp đất này gồm :

- Các cọc tiếp đất : thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét Đường kính ngoài thường

là 14 – 16mm Được chôn thẳng đứng & cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét

- Dây tiếp đất : thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75mm2 dùng để

liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét

- Ốc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt cadweld : dùng để liên kết dây tiếp đất & các cọc tiếp đất với nhau

Cấu tạo của thiết bị cắt lọc sét

Thường bao gồm : Van cắt sét sơ cấp (nằm phía trước) - Bộ lọc sóng hài & nhiễu (nằm giữa)

- Van cắt sét thứ cấp (nằm phía sau) Van cắt sét sơ cấp & thứ cấp được chế tạo từ ô xýt kim loại (metal oxide varristor – mov) thường là ô xýt kẽm Đặc điểm của loại vật liệu này là chỉ có thể dẫn điện ở điện áp cao & sẽ trở thành vật cách điện ở điện áp thấp , điện áp càng cao thì dòng điện thông mạch càng lớn và điện áp càng giảm thì dòng thông mạch càng giảm về zê rô ( còn gọi là khối điện trở phi tuyến)

- Bộ lọc sóng hài được cấu tạo từ cuộn kháng điện l & các tụ lọc c , cuộn khán l được lắp nối tiếp với mạch điện còn tụ lọc c thì lắp song song với mạch điện (nằm phía sau cuộn kháng điện l)

 Nguyên lý làm việc của thiết bị cắt lọc sét:

- Khi sét đánh trực tiếp vào đường dây điện hạ thế 3 pha 220/380vac – 50hz , hoặc sét đánh vào các vùng lân cận rồi cảm ứng vào đường dây hạ thế rồi lan truyền vào thiết bị cắt lọc sét trước khi nó đến phụ tải ( các thiết bị dùng điện ) Xung điện sét này có biên độ điện áp lớn làm cho điện trở phi tuyến của van cắt sét sơ cấp ngưỡng dẫn , lúc này nó sẽ mở mạch để cho dòng điện sét đi qua nó xuống đất Tiếp theo đó bộ lọc l – c có tác dụng làm giảm thấp biên độ xung sét và tách bỏ các thành phần sóng hài , nhiễu tần số cao Xung điện sét còn sót với biên độ thấp

khi ra khỏi bộ lọc l – c thì sẽ bị van cắt sét thứ cấp cắt thêm một lần nữa Khi xung điện sét giảm thấp đến dưới giá trị điện áp ngưỡng của van cắt sét thì điện trở phi tuyến của van cắt sét sẽ tăng nhanh để ngắt dòng cắt xung sét

b) Chống sét lan truyền cho lưới điện hạ thế 3 pha 220/380v – 50/60hz :

 Dùng chống sét Van sơ cấp ( gọi là thiết bị cắt sét nguồn 3 pha hoặc 1 pha ), lắp

song song với nguồn điện để cắt giảm xung điện sét lớn xuống đất

* ƯU ĐIỂM : Không bị giới hạn dòng tải nên cùng lúc có thể Bảovệ được nhiều thiết bị dùng điện - Vì đây chỉ là thiết bị cắt sét sơ cấp nên thường giá thành thấp

* NHƯỢC ĐIỂM : Chỉ cắt hầu hết các xung lớn mà không lọc được các thành

phần tần số cao của sét , như các sóng hài , các loại nhiễu Các hãng có thể đáp ứng tốt như : TPS – ÚC , OBO – ĐỨC , MCG – USA, ERICO – ÚC , TERCEL –

ÚC

 Dùng thiết bị cắt lọc sét (thường là lắp nối tiếp với phụ tải) để vừa cắt xung điện

sét , vừa lọc được các loại sóng hài của sét

* ƯU ĐIỂM : Bảo vệ đa cấp cho phụ tải ( gồm cắt sét sơ cấp , lọc , cắt sét thứ cấp ) , do đó có độ an toàn cao

* NHƯỢC ĐIỂM : Vì được chế tạo để bảo vệ đa cấp nên giá thành cao - Vì lắp

nối tiếp nên bị giới hạn với một dòng điện nhất định - Các hãng đáp ứng tốt như :

TPS – ÚC , OBO – ĐỨC , ERICO – ÚC , TERCEL – ÚC

 Chống sét lan truyền cho đường dây thông tin :

Chống sét lan truyền cho đường dây điện thoại lắp trên phiến Krone 10 đôi dây : tuỳ theo mức điện áp tín hiệu , tần số làm việc , tốc độ đường truyền sẽ lựa chọn các thiết bị bảo vệ khác nhau Các hãng có thể đáp ứng như : TPS – ÚC, ERICO –

ÚC, TERCEL – ÚC

Chống sét lan truyền trên đường dây nối mạng máy tính cáp RJ45 : có nhiều hãng

để lựa chọn như APC – USA , ATLENTIC – USA , ERICO – ÚC , TPS – ÚC Chống sét lan truyền trên đường dây cáp đồng trục 75W : có nhiều hãng để lựa chọn như ERICO – ÚC , TPS – ÚC , OBO – ĐỨC

1.8 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB

1.8.1 Khởi động chương trình Matlab

Sau khi khởi động Windows, “ double click” vào biểu tượng Matlab để kích hoạt chương trình và cửa sổ vùng làm việc (Workspace) của Matlab Từ đây, chúng ta bắt đầu tìm hiểu chương trình thông qua phần “Help”, chạy các “Dimo” và làm việc trực tiếp với các công cụ, biểu tượng của chương trình Matlab

Từ nút chọn “start” của Matlab ta có thể tìm hiểu các chức năng của chương trình như sau:

Hình 1.17 Thanh “Start bar” của chương trình Matlab và các công cụ thuộc thư viện

“Simulink”

Simulink là phần chương trình ứng dụng mở rộng nhằm mục đích mô hình hóa,

mô phỏng, phân tích các hệ thống động học Cho phép mô tả hệ tuyến tính, phi tuyến trong thời gian liên tục hoặc gián đoạn giao diện cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu và các khối chức năng được dựng sẵn Hộp công cụ “Simulink” cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, liên quan đến đa ngành nghề

Hình 1.18 Thư viện Simulik trong chương trình Matlab

Chúng ta sử dụng thư viện Simulink để xây dựng mô hình nguồn phát xung theo

ý muốn với các biểu tượng có sẵn và trực diện trong thư viện trong thư viện này một cách dễ dàng Muốn xây dựng một mô hình nào đó, người sử dụng chỉ cần “nhấp và kéo thả” khối chức năng cần sử dụng vào cửa sổ làm việc Thao tác mở cửa sổ làm việc như Hình 1.20a, sau đó kéo thả các khối chức năng cần sử dụng từ thư viện simulink vào cửa sổ cần xây dựng mô hình nguồn phát xung (Hình 1.20b), kết nối với các phần tử vừa kéo thả lại với nhau theo sơ đồ mạch cần nghiên cứu Trong quá trình cần mô phỏng có thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ và hiển thị đặc tính của tín hiệu đó lên màng hình trực diện, và nếu có nhu cầu ta có thể lưu tập tin lại dưới dạng “*.mdl” giúp thuận tiện trong việc truy xuất dữ liệu

Hình 1.19 a.Thao tác mở cửa sổ làm việc Hình 1.19 b Cửa sổ làm việc

Để sử dụng tốt chương trình, người sử dụng cần có kiến thức cơ bản về máy tính, điều khiển…,từ các kiến thức này người sử dụng có thể xây dựng mô hình toán học lập nên mô hình của bài toán cần xây dựng

1.8.2 Các khối sử dụng trong mô hình

- Khối Inport và Outport:

Khối Inport và Outport là các khối đầu vào, đầu ra của một mô hình mô phỏng, khối Inport và Outport độc lập với nhau, bắt đầu từ 1 Khi bổ sung thêm khối Inport

và Outport, khối mới sẽ nhận số thứ tự kế tiếp Khi xóa một khối nào đó, các khối còn lại sẽ được tự động đánh số mới

Ở ví dụ thời gian trích mẫu là T=0,01µ s

- Khối Abs:

Khối này lấy giá trị tuyệt đối của tín hiệu ngõ vào, tín hiệu ngõ vào có thể là tín hiệu thực hay phức

- Khối Compare to Constant:

Khối này so sánh tín hiệu ngõ vào với một hằng số, tín hiệu ngõ ra là giá trị logic bằng 0 nếu so sánh sai, bằng 1 nếu so sánh đúng Giá trị hằng số được nhập vào thông

số Constant value của khối, thông số Operator cho phép người sử dụng lựa chọn các phép so sánh

- Khối Unit Delay:

Khối này lấy mẫu tín hiệu ngõ vào, sau đó hoãn và giữ tín hiệu ngõ vào trong

một khoảng thời gian lấy mẫu Thời gian lấy mẫu này được nhập vào từ thông số Sample time của khối, đơn vị là s Tín hiệu ngõ vào có thể là tín hiệu thực, tín hiệu phức hay bất kỳ dạng tín hiệu nào cung cấp bởi Simulink kể cả dạng điểm

Lưu ý là cần phải xác định tín hiệu ngõ ra trong giai đoạn đầu tiên thông qua Initial conditions vì nếu không nó có thể sinh ra một giá trị không mong muốn của ngõ ra ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng

- Khối Breaker:

Khối Breaker là khối dùng để đóng cắt mạch điện (circuit breaker), thời gian đóng, cắt có thể điều khiển bởi một tín hiệu bên ngoài (External control mode), hay

được điều khiển bởi thời gian bên trong (Internal control mode)

Khối Breaker chỉ cắt ra khi dong qua nó đi quá giá trị 0 và tín hiệu điều khiển chuyển trạng thái từ 1 xuông 0

Khi khóa đóng nó hoạt động như một mạch điện trở, với một điện trở nội bên trong Ron Giá trị điện trở này có thể cài đặt bởi người sử dụng Ngoài ra, khóa này còn có một mạch Snubber R-C mắc nối tiếp với khóa để tránh trường hợp khóa nối tiếp với nguồn dòng hay cuộn cảm Đa số các trường hợp điều dùng bộ snubber điện trở (Rs = 1MΩ, Cs = inf)

Khi khóa được đặt ở chế độ External control mode một ngõ điều khiển ngoài sẽ xuất hiện trên icon của khóa Tín hiệu điều khiển ngoài này phải là giá trị logic 0 hay

1.8.3 Giới thiệu công cụ Curve Fitting Toolbox

Công cụ Curve Fitting Toolbox là sự tập hợp nhiều giao diện đồ thị, giao tiếp trực tiếp với người sử dụng, và các hàm M- file, được xây dựng trong môi trường tính toán kỹ thuật của Matlab Nó thực hiện các nhiệm vụ chính sau: Khảo sát một hay nhiều khối dữ liệu và xử lý điều chỉnh để vẽ đồ thị, đánh giá biểu đồ linh hoạt nhất

bằng cách sử dụng các số dư Để mở công cụ Curve Fitting ta nhập câu lệnh: cftool

Hình 1.20 Giao diện tạo Curve Fitting Toolbox

Trước khi nhập dữ liệu vào Curve Fitting phải chắc chắn rằng đã có 1 file dữ liệu mẫu tồn tại trong Matlab Worspace, file mặc định có sẵn trong Matlab là Census.mat

Sử dụng câu lệnh “load census” để mở file census.mat Trong cửa sổ Workpace

sẽ mở ra 2 biến giá trị là cdate và pop Để tạo các biến mới ta chọn New varlable, giả

sử ta tạo 1 tập hợp của 2 biến x và y

Chọn tên biến cho X Data và Y Data, tạo tên file: ví dụ tìm hàm số y=F(x)

Sau khi khai báo biến xong, click vào nút create data set và đóng cửa sổ lai Tiếp theo chọn trang Fitting, xuất hiện cửa sổ như Hình 1.23

Hình 1.23 Cửa sổ Fitting

Chức năng chính của Fit Editor đi tìm tương quan chính xác nhất giữa biến x và

y thông qua các hàm toán học cơ bản được xây dựng sẵn trong MATLAB như hàm đa thức, hàm mũ, hàm lograrit…, khai triển Fourier…và hàm toán do người thực hiện tạo ra Việc chọn kết quả chính xác nhất phụ thuộc vào thông số R-square tiến gần đến giá trị 1

Linear model Poly4:

Hình 1.24 Đồ thị y= F(x)

 Mở trang Analysis để kiểm tra độ sai số của đồ thị trong quá trình tính toán của máy tính

Hình 1.25 Cửa sổ Analysis

Curve Fitting Toolbox là công cụ rất hữu ích trong việc tìm mối liên hệ giữa các

sự kiện thu thập được trong quá trình đo đạc thực nghiệm, để từ đó giúp cho người thực hiện có thể dự đoán diễn biến của sự kiện có thể xảy ra ở một thởi điểm bất kì

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN

TRUYỀN HIỆN ĐẠI

2.1 GIỚI THIỆU

Sét đánh trực tiếp là sét đánh thẳng vào nhà cửa công trình hoặc đánh vào bồn nước kim loại hay trụ anten nằm trên công trình đó, đánh vào cây cối, đánh vào người đang di chuyển khi đang có dông Đây là loại sét nguy hiểm nhất vì nó có thể gây thiệt hại nặng nề cho công trình hoặc gây chết người

Sét đánh gián tiếp là sét đánh vào đường dây điện thoại, đường dây tải điện cao thế hoặc hạ thế ở một nơi nào đó rồi theo đường dây truyền vào công trình làm hư hỏng thiết bị điện đang sử dụng Chúng ta thường thấy hiện tượng bóng đèn, điện thoại, TV, tủ lạnh bị cháy hoặc người đang gọi điện thoại bị điện giật mạnh sau một cơn dông sét tất cả là do ảnh hưởng của loại sét này

Sét cảm ứng bao gồm cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ Sét cảm ứng tĩnh điện thường chỉ nguy hiểm cho các công trình có chứa chất dễ cháy nổ như xăng dầu, khí đốt do tác động của phóng điện thứ cấp còn sét cảm ứng điện từ chỉ nguy hiểm đối với các thiết bị hiện đại dùng các linh kiện điện tử nhạy với xung điện trong các công trình bưu điện, viễn thông, phát thanh truyền hình

Một hệ thống chống sét hoàn chỉnh phải thể hiện đầy đủ các nội dung chống sét nói trên, tuy nhiên đối với đa số các hộ gia đình người ta thường chỉ quan tâm đến việc chống sét đánh trực tiếp

Có nhiều biện pháp kỹ thuật phòng chống sét nhưng cho tới nay thì chưa có một thiết bị hoặc hệ thống chống sét nào đạt được hiệu quả tuyệt đối Một mô hình chống sét thông dụng đã được công nhận là có hiệu quả trong một phạm vi giới hạn nhất định vẫn còn được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới đó là hệ thống dùng kim thu sét cổ điển Franklin vì nó đã chứng minh khả năng bảo vệ với một độ tin cậy cho phép đã tồn tại hàng trăm năm qua Kim thu sét Franklin là một thanh kim loại có đầu nhọn dài khoảng 3m được lắp tại nơi cao nhất trong khu vực cần bảo vệ, nó hoạt động theo nguyên lý phóng điện điểm, nghĩa là trong điện trường khí quyển của dông bão, kim thu sét này sẽ liên tục nhả điện tích vào vùng không gian do đó quanh đầu kim thu sét sẽ có điện trường cục bộ mạnh so với các điểm xung quanh và hình thành một tia lửa điện mồi (dòng mồi) nên nó dễ dàng thu hút dòng sét tiên đạo từ mây đi xuống, dòng điện sét này sẽ truyền từ kim qua hệ thống dây dẫn để đi xuống đất và tản nhanh trong đất nhờ bãi tiếp địa tản sét Như vậy hệ thống chống sét sẽ tạo ra một phạm vi

an toàn cho công trình mà nó bảo vệ Tuy nhiên trong thực tế vẫn có hiện tượng sét

đánh vào công trình đã có hệ thống chống sét mà người ta gọi là sét đánh vòng, do đó

để đảm bảo an toàn chúng ta không nên tự lắp lấy hệ thống chống sét mà phải nhờ đến chuyên viên kỹ thuật tính toán thiết kế sao cho hệ thống đảm bảo các thông số kỹ thuật như phạm vi bảo vệ, điện trở tản sét, khả năng sét đánh vòng, khả năng phóng điện thứ cấp , có như thế thì hệ thống chống sét mới hoàn thành tốt nhiệm vụ của

nó Trong trường hợp ngược lại thì chính hệ thống đó là nguyên nhân dẫn đến các tai hoạ cho công trình và những người sống trong công trình đó

2.2 CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP 2.2.1 Khe phóng điện (Spark Gap)

Khe phóng điện được cấu tạo bởi hai bản kim loại cứng cố định ở một khoảng cách định trước Một điện cực được nối với mạng điện, còn điện cực kia được nối với đất Không khí giữa hai cực sẽ bị ion hóa tại một điện áp khe hở giữa hai điện cực Hiện tượng không khí bị ion hóa tạo ra một trở kháng thấp giữa hai bản cực

Điện áp đánh thủng phụ thuộc vào độ ẩm của không khí cho nên khe phóng điện được sử dụng chính ở mạng điện có điện áp cao mà ở đó không đòi hỏi độ chính xác cao Khe phóng điện có vỏ bọc là thủy tinh hoặc kim loại, bởi vì không khí bị ion hóa đòi hỏi phải có thời gian nên thực tế điện áp phóng điện của khe hở phụ thuộc vào sự biến thiên của điện áp Chẳng hạn, một thiết bị điện được thiết kế với cấp điện áp là 120V thì có thể hoạt động ở điện áp 2200V Khe phóng điện có khả năng tản sét cao, đến hàng 100kA

Khi có xung sét chạy trên đường dây gây nên sự chênh lệch điện áp giữa hai điện cực đủ lớn làm cho khe hở phóng điện hoạt động và truyền dẫn năng lượng xuống đất Khe phóng điện có ưu điểm vượt trội về khả năng tản sét và giá thành Tuy nhiên, nhược điểm chính của khe phóng điện là điện áp ngưỡng, điện áp dư cao và thời gian tác động chậm

Để tăng cường khả năng dập tắt hồ quang và tốc độ tự hồi phục, khe phóng điện cải tiến có cấu tạo hỗn hợp gồm khe nối tiếp với điện trở phi tuyến và được đặt trong

vỏ kín Tuy nhiên, do khả năng chịu dòng của điện trở phi tuyến là có hạn nên sẽ giới hạn khả năng tản dòng sét biên độ lớn, vốn vẫn là ưu điểm của khe phóng điện so với các thiết bị chống sét loại khác

Công nghệ này cho phép chế tạo các khe phóng điện, đạt yêu cầu về năng lượng tản sét và điện áp dư thấp khi hồ quang được thành lập Tuy nhiên, chúng cũng còn có hai nhược điểm:

Điện áp kích hoạt cao và giảm không đáng kể khi thay đổi khoảng cách giữa các

điện cực Giá trị điện áp kích hoạt của khe phóng điện vào khoảng 2500 – 3500V, sẽ gây ra các vấn đề cho các thiết bị bảo vệ thứ cấp nằm ở phía tải Thiết bị bảo vệ thứ cấp thường là loại có điện áp kẹp thấp hơn điện áp phóng điện của khe và khả năng tản sét nhỏ Điều này sẽ giữ cho khe phóng điện không vận hành, thiết bị thứ cấp nhanh chống bị phá hủy và hầu hết năng lượng đi vào tòa nhà

Khe phóng điện có dòng tự duy trì cao, mặc dù điều này đã được chú ý và từng bước cải thiện trong tương lai Dòng tự duy trì cao gây cho điện cực mau hư hỏng và làm giảm tuổi thọ của khe hở phóng điện Trong thiết kế, các thông số của khe phóng điện điện áp thấp, vấn đề điện cực được quan tâm đặc biệt Khe phóng điện được thiết

kế để có thể làm việc từ 10 đến 30 lần trong một năm Gần đây xuất hiện loại khe hở phóng điện tự kích TSG (Triggered Spark Gap - TSG) Đây là loại khe hở phóng điện tiên tiến nhất hiện nay, với các tính năng vượt trội như sau:

Cung cấp điện áp dư ở mức thấp gần với các sản phẩm cắt sét – có cấu tạo trên cơ sở các MOV, nhưng có khả năng tản sét cao hơn

Khắc phục được nhược điểm điện áp phóng điện khởi đầu cao, điện áp dư lớn và dòng

tự duy trì kéo dài ở khe phóng điện truyền thống

Điện áp kích hoạt thấp (khoảng 500V) cho phép TSG vận hành với rất nhiều xung đột biến, bao gồm cả các xung do đóng cắt mạch

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSG (Hình 2.1) bao gồm:

Sừng phóng điện đảm bảo khả năng tản dòng sét cường độ cao

Bộ phận dòng có cấu tạo gồm các phiếm sắp lớp tạo thành các khe Khi hồ quang phóng điện đi vào các khe, hồ quang bị phân nhỏ và dễ dàng bị dậptắt

Hệ thống kích bao gồm mạch kích và cực kích Hệ thống này có chức năng kích hoạt phóng điện chính bằng cách tạo ra phóng điện mồi khi cảm nhận xung quá áp ngang qua mạch kích vượt quá 500V Phóng điện mồi sẽ phát triển thành phóng điện chính giữa hai sừng phóng điện và xung quá áp bị kẹp bởi phóng điện hồ quang

Hình 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSG

2.2.2 MOV (Metal Oxide Varistor)

Công nghệ này sử dụng các phiến Oxide kim loại (MOV) làm phần tử tản sét

vì các MOV có các ưu điểm vượt trội như: hệ số phi tuyến cao, dòng rò nhỏ, khả năng tản sét tốt (từ vài chục đến vài trăm kA), thời gian đáp ứng nhanh (<25ns) và giá trị điện dung nội tại nhỏ Nhưng công nghệ này đòi hỏi chế độ lắp đặt và vận hành nghiêm ngặt như: điện áp mạng phải ổn định, hạn chế sử dụng khi tải là các máy hàn, các UPS hay nguồn là các máy phát điện có chất lượng không cao,… Sở dĩ có các điều kiện này là do khi trong mạng xuất hiện các xung đỉnh nhọn có tần số công nghiệp, hay các quá áp tạm thời vượt quá giá trị điện áp ngưỡng của MOV thì các thiết bị chống sét sẽ hoạt động bất kể nguyên do từ đâu và sẽ cắt liên tục 100 lần trong một chu kỳ Việc này dẫn đến MOV bị quá nhiệt, phát cháy hay làm giảm tuổi thọ Một số nhà chế tạo khắc phục nhược điểm này của MOV bằng cách mắc nối tiếp với các MOV công tắt cảm biến nhiệt Khi các MOV bị quá nhiệt thì các công tắt này sẽ tác động cách ly MOV ra khỏi mạng Nhưng nếu trong thời gian này xuất hiện sét thì thiết bị bảo vệ sẽ hư hỏng vì không được bảo vệ Phạm vi sử dụng của các thiết bị chống sét chế tạo theo công nghệ MOV là bảo vệ chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn ở các mạng điện có chất lượng điện áp cao

2.2.3 SAD (Silicon Avalanche Diode)

Công nghệ này sử dụng các Avalanche Diode làm phần tử tản sét Các diode này có ưu điểm là thời gian tác động rất nhanh (<1ns), tuổi thọ cao

Nhưng có nhược điểm là khả năng tản dòng sét nhỏ (<3kA) Để nâng cao khả năng tản sét và điện áp chịu đựng, các nhà chế tạo phải ghép tổ hợp nhiều diode song song

và nối tiếp, do đó giá thành rất cao Thông thường các thiết bị chống sét theo công nghệ SAD chỉ sử dụng để bảo vệ cho các thiết bị đặt sâu trong nhà, công suất nhỏ và không thể dùng làm bảo vệ chính (các tải quan trọng)

2.2.4 TDS (Transient Discriminating Suppressor)

Khác với các thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn, được sản xuất với công nghệ truyền thống, hoạt động theo nguyên tắc biên độ, tức là phản ứng với tất cả xung quá áp có biên độ vượt quá ngưỡng điện áp tác động (thường là 275Vrms), thiết bị chống sét sản xuất theo công nghệ tiên tiến TDS, hoạt động theo nguyên tắc tần số, và thực hiện đúng chức năng chống sét được giao phó, tức là chỉ phản ứng khi xuất hiện xung sét cảm ứng trên cơ sở phân biệt tần số xung quá áp do sét lan truyền (khoảng 1MHz) và xung quá áp do các nguyên do khác (khoảng 50Hz) Điều này cho phép thiết bị chống sét theo công nghệ tiên tiến TDS có ưu điểm vượt trội như sau:

- Thông minh phân biệt sét và các quá áp do các nguyên nhân khác

- Khả năng chịu quá áp tạm thời cao, tuổi thọ cao

- Thời gian đáp ứng nhanh (<1ns)

- Cung cấp bảo vệ hiệu quả, ngay trong mạng có chất lượng điện áp thấp

- Không đòi hỏi các điều kiện lắp đặt và vận hành nghiêm ngặt như thiết bị chế tạo theo công nghệ truyền thống MOV

Để đạt được hiệu quả và tính năng bảo vệ vượt trội, thiết bị TDS sử dụng công nghệ tổng hợp bao gồm cả ba công nghệ SAD, Gas Aresster và MOV

 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị TDS trình bày như hình 2.2

Công tắc tác động nhanh hoạt động theo nguyên tắc tần số Công tắc này sẽ tác động khi xung sét xuất hiện nhưng sẽ không tác động khi xuất hiện quá áp tạm thời Trong 10ns đầu tiên khi xung sét xuất hiện, dãy SAD sẽ tác động nhằm giảm bớt

độ dốc đầu sóng của xung sét, góp phần làm giảm điện áp thông qua

Trong thời gian khoảng 10ns tiếp theo, công tắc tác động nhanh tác động đóng

dãy MOV vào mạch và tản hầu hết năng lượng sét xuống đất

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị