Bảo vệ quá áp lan truyền trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây phân phối trung áp

Vấn đề đ ợc đề cập một cách cấp bách trong những năm gần đơy lƠ các trang thiết bị điện tử đư tr thƠnh các thiết bị đ ợc sử dụng ngƠy cƠng nhiều vƠ rất phổ biến trong các tòa nhƠ, các cô

Tóm tắ t đ ề tài i

ABSTRACT ii

Danh mụ c các bả ng iii

Danh mụ c các hình iv

Chư ơ ng 1: Mở đ ầ u 1

1.1 Đ ặ t vấ n đ ề 1

1.2 Mụ c tiêu và n hiệ m vụ củ a luậ n vă n 2

1.3 Phạ m vi nghiên cứ u 2

1.4 Phư ơ ng pháp nghiên cứ u 3

1.5 Đ iể m mớ i củ a luậ n vă n 3

1.6 Giá trị thự c tiễ n củ a luậ n vă n 3

1.7 Nộ i dung củ a luậ n vă n 3

Chư ơ ng 2: Tổ ng quan về sét 5

2.1.Sự hình thành mây dông và sét 5

2.2.Các giai đ oạ n phát triể n củ a phóng đ iệ n sét 7

2.3 Các thông số chủ yế u củ a sét 12

2.4 Biên đ ộ dòng sét và xác suấ t xuấ t hiệ n 13

2.5 Cư ờ ng đ ộ hoạ t đ ộ ng củ a sét 17

2.6 Cự c tính củ a sét 17

2.7 Tác hạ i củ a dòng đ iệ n sét 18

2.8 Phân loạ i công trình cầ n bả o vệ 19

Chư ơ ng 3: Mô hình các nguồ n phát xung sét tiêu chuẩ n 17

3.1.Các dạ ng xung không chu kỳ chuẩ n 25

3.2.Xây dự ng mố i liên hệ giữ a các thông số trong mô hình 26

3.3 Xây dự ng sơ đ ồ khố i 27

3.4 Thự c hiệ n mô phỏ ng 30

3.5 Nhậ n xét 32

Chư ơ ng 4: Mô hình chố ng sét van trung áp và hạ áp 31

4.2.Nguyên lý hoạ t đ ộ ng củ a MOV 48

4.3.Đ ánh giá mô hình MOV củ a MATLAB 48

4.4.Xây dự ng mô hình MOV hạ thế 49

4.5.Xây dự ng mô hình MOV trung thế 56

Chư ơ ng 5: Biệ n pháp bả o vệ quá áp phía trung áp và hạ áp khi sét đ ánh trự c tiế p vào đ ư ờ ng dây trung áp 71

5.1 Mô phỏ ng hệ thố ng bả o vệ quá áp do sét đ ánh trự c tiế p trên đ ư ờ ng dây trung áp 49

5.2 Mô phỏ ng hệ thố ng bả o vệ quá áp khi không có chố ng sét van hạ áp 65

5.3 Mô phỏ ng hệ thố ng bả o vệ quá áp khi có chố ng sét van hạ áp 65

5.4 Nhậ n xét 65

Chư ơ ng 6: Kế t luậ n và hư ớ ng nghiên cứ u phát triể n 87

Tài liệ u tham khả o 89

Quá điện áp vƠ quá trình quá độ do sét trong mạng điện lƠ nguyên nhơn ch yếu gơy ra các sự cố l ới điện vƠ lƠm h hỏng các thiết bị lắp đặt trên l ới Nên việc đề ra các giải pháp chống sét, lựa chọn, phối hợp các thiết bị bảo vệ phù hợp

vƠ nghiên c u chế tạo thiết bị chống sét đóng vai trò rất quan trọng trong việc hạn chế những r i ro thiệt hại do sét gây ra

Hiện nay chống sét trực tiếp đư đ ợc quan tơm nhiều với các giải pháp từ cổ điển đến hiện đại Tuy nhiên, số liệu thống kê chỉ ra h n 70% h hỏng do sét gây

ra lại do sét đánh lan truyền hay cảm ng theo đ ng cấp nguồn vƠ đ ng truyền tín hiệu

Thực tế, mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn nh ng lại trải trên diện rộng vƠ cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ nên nó lại lƠ nguyên

nhơn dẫn sét vƠo công trình, gơy ngừng dịch vụ, h hỏng thiết bị Thống kê cho thấy, hậu quả không mong muốn c a quá áp do sét lan truyền trên mạng phơn phối hạ áp gơy ra thiệt hại rất lớn vƠ nhiều lúc không thể đánh giá cụ thể đ ợc Vấn đề đ ợc đề cập một cách cấp bách trong những năm gần đơy lƠ các trang thiết bị điện tử đư tr thƠnh các thiết bị đ ợc sử dụng ngƠy cƠng nhiều vƠ rất phổ biến trong các tòa nhƠ, các công trình mọi lĩnh vực nh b u chính viễn thông, phát thanh, truyền hình, công nghiệp… Các thiết bị nƠy vốn rất nhạy cảm với điện áp cao vƠ cách điện dự trữ c a chúng rất mong manh vì thế cần phải tính toán lựa chọn, phối hợp vƠ kiểm tra các thiết bị bảo vệ chống sét một cách hiệu quả, chính xác để tránh xảy ra h hỏng cho các thiết bị nƠy

Do các thiết bị chống sét lƠ thiết bị phi tuyến cho nên việc đánh giá các đáp

ng ngõ ra ng với sóng sét lan truyền với m c chính xác cao theo ph ng pháp

giải tích truyền thống gặp nhiều khó khăn Bên cạnh đó, do n ớc ta vẫn còn bị hạn chế về trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số l ợng phòng thí nghiệm cao áp còn khiêm tốn nên rất khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên c u bảo vệ chống sét lan truyền tại Việt Nam

Hiện nay, các nhƠ nghiên c u vƠ một số nhƠ sản xuất thiết bị chống sét lan truyền trên đ ng nguồn hạ áp cùng một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đư đề ra một số mô hình thiết bị chống sét lan truyền với m c độ chi tiết vƠ quan điểm xơy dựng mô hình khác nhau Tuy nhiên, do đặc điểm c a ph ng pháp mô hình hóa, mô phỏng vƠ yêu cầu về m c độ chính xác, m c t ng đồng cao giữa mô hình vƠ nguyên mẫu, các ph ng pháp xơy dựng mô hình vƠ mô phỏng các thiết

bị chống sét lan truyền vẫn còn nhiều tranh cưi vƠ tiếp tục nghiên c u phát triển

Vì vậy, đề tƠi tập trung xơy dựng mô hình chống sét van trung áp, chống sét van

hạ áp, các máy phát xung sét tiêu chuẩn tạo c s cho việc mô hình hóa vƠ mô phỏng giải pháp chống sét cho các thiết bị trung áp vƠ hạ áp khi sét đánh vƠo

đ ng dơy trung áp

1.2 Mục tiêu vƠ nhi m vụ c a lu n văn

 Nghiên c u cấu tạo, nguyên lý hoạt động c a chống sét van (Metal Oxide Varistor - MOV)

 Xơy dựng mô hình chống sét van (MOV) trung áp vƠ hạ áp

 Xơy dựng mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn

 Xơy dựng mô hình mô phỏng vƠ đánh giá hiệu quả bảo vệ c a hệ thống chống sét lan truyền trên đ ng nguồn hạ áp khi sét đánh vƠo đ ng dơy

trung áp

1.3 Ph m vi nghiên c u

 Nghiên c u ch c năng vƠ h ớng dẫn sử dụng phần mềm Matlab, đặc biệt

lƠ công cụ Simulink vƠ hộp công cụ Sim Power Blokset

 Nghiên c u, xơy dựng mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn dạng sóng 8/20µs, 10/350µs và 1/5µs

 Nghiên c u vƠ lập mô hình chống sét van (MOV) trung áp vƠ hạ áp

 Mô phỏng vƠ đánh giá hiệu quả bảo vệ c a hệ thống chống sét lan truyền

trên đ ng nguồn hạ áp khi sét đánh vƠo đ ng dơy trung áp

 Kết quả nghiên c u là tài liệu tham khảo có giá trị cho những ai quan tơm

tới việc nghiên c u, lựa chọn, phối hợp vƠ kiểm tra hiệu quả các thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đ ng nguồn hạ áp trong điều kiện thiếu phòng thí nghiệm hiện nay

1.7 N i dung c a lu n văn

Nội dung c a luận văn gồm 6 ch ng:

Ch ng 1: M đầu

Ch ng 2: Tổng quan về sét

Ch ng 3: Mô hình các nguồn phát xung sét tiêu chuẩn

Ch ng 4: Mô hình chống sét van trung áp vƠ hạ áp

Ch ng 5: Biện pháp bảo vệ quá áp phía trung áp vƠ hạ áp khi sét đánh

trực tiếp vào đ ng dơy trung áp

Ch ng 6: Kết luận vƠ h ớng nghiên c u phát triển

TƠi liệu tham khảo

CH NG 2

T NG QUAN V SÉT

2 1 S hình thƠnh mơy dông vƠ sét

Dông lƠ hiện t ợng xảy ra ch yếu trong mùa hạ liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ c a đối l u nhiệt vƠ các nhiễu động khí quyển Dông đặc tr ng b i sự xuất hiện những đám mơy dông hay mơy tích vũ (Cumnulonimbus) có độ dƠy từ

10  16 km, tích trữ một số l ợng n ớc vƠ tạo ra những chênh lệch điện thế cực mạnh

Về bản chất, dông lƠ một hiện t ợng khí quyển ph c hợp bao gồm sự phóng điện giữa các đám mơy (th ng gọi lƠ chớp) hay sự phóng điện giữa đám mơy vƠ mặt đất (th ng gọi lƠ sét) kèm theo gió mạnh vƠ m a lớn

Thực tế sự hình thƠnh các c n dông luôn gắn liền với sự xuất hiện c a những luồng không khí khổng lồ từ mặt đất bốc lên Các luồng không khí nƠy đ ợc tạo thƠnh do sự đốt nóng mặt đất b i ánh sáng mặt tr i, đặc biệt các vùng cao (dông nhiệt), hoặc do sự gặp nhau c a những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh (dông Front) Sau khi đư đạt đ ợc một độ cao nhất định (khoảng vƠi km tr lên - vùng nhiệt độ ơm- Hình 2.1) luồng không khí ẩm nƠy bị lạnh đi,

h i n ớc ng ng tụ thƠnh những giọt nhỏ li ti - hay các tinh thể băng vƠ chúng tạo thƠnh các đám mơy dông

Từ lơu, ng i ta đư khẳng định về nguồn tạo ra điện tr ng giữa các mơy dông

vƠ mặt đất chính lƠ những điện tích tích tụ trên các hạt n ớc li ti vƠ các tinh thể băng c a các đám mơy dông đó

Nh ng do đơu có sự nhiễm điện nƠy c a hạt n ớc vƠ các tinh thể băng thì có nhiều giả thuyết khác nhau vƠ ch a đ ợc hoƠn toƠn nhất trí Các giả thuyết nƠy cho đến nay đều ch a giải thích đ ợc một cách triệt để về nguồn điện tích c a các đám mơy dông, khiến ng i ta nghĩ rằng trong thực tế có thể có nhiều nguyên nhơn đồng th i tác động vƠ rất ph c tạp Nh ng có một điều chắc chắn lƠ trong suốt c n dông, các điện tích d ng vƠ điện tích ơm bị các luồng không khí mưnh liệt lƠm tách r i nhau gắn liền với sự phơn bố các tinh thể băng tuyết trên

tầng đỉnh vƠ các giọt n ớc tầng đáy c a các đám mơy dông Sự tách r i điện tích nƠy tùy thuộc vƠo độ cao c a các đám mơy

Hình 2.1 Phơn b đi n tích trong đám mơy dông

Qua nhiều lần đo đạt thực nghiệm, ng i ta thấy rằng khoảng 80  90% phần

d ới các đám mơy dông ch yếu ch a điện tích ơm, do đó cảm ng trên mặt đất những điện tích d ng t ng ng vƠ tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ

Hình 2.2 S phơn b đi n tíchgi a đám mơy dông vƠ mặt đ t

Hình 2.2 chỉ rõ sự phơn bố điện tích trong một đám mơy vƠ trên mặt đất Vật nƠo trên mặt đất cƠng cao thì khoảng cách giữa vật vƠ mơy cƠng nhỏ vƠ lớp không khí ngăn cách các điện tích trái dấu cƠng mỏng những n i nƠy sét dễ đánh xuống đất Khi đến gần nhƠ cao, cơy cao thì mơy dông mang điện tích ơm hút các điện tích d ng, lƠm cho chúng tập trung lại điểm cao nhất: trên mái nhƠ, ngọn cơy hay còn gọi lƠ hiệu ng mũi nhọn Nếu điện tích mơy lớn thì trên mái nhƠ, ngọn cơy cũng tập trung một điện tích lớn, đến một m c độ nƠo đó độ lớn c a các điện tích trái dấu nói trên sẽ tạo nên một sự chênh lệch điện thế để đánh th ng lớp không khí ngăn cách nó với mặt đất ( mặt đất trị số nƠy lƠ 25 

30 kV/cm), lúc nƠy xảy ra hiện t ợng phóng điện giữa đám mơy dông vƠ mặt đất Sét thực chất lƠ một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách phóng điện rất lớn Chiều dƠi trung bình c a khe sét khoảng 3  5km Phần lớn chiều dƠi đó phát triển trong các đám mơy dông Quá trình phóng điện c a sét

t ng tự quá trình phóng điện tia lửa trong điện tr ng rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn

Hình 2.3 S phát tri n c a sóng đi n sét trong đám mơy dông

2 2 Các giai đo n phát tri n c a phóng đi n sét

Ban đầu xuất phát từ mơy dông một dải sáng m kéo dƠi từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105  106 m/s, đó lƠ giai đoạn phóng điện tiên đạo từng đợt Kênh tiên đạo lƠ một dòng plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013 1014

ion/m3 Một phần điện tích ơm c a mơy dông trƠn vƠo kênh vƠ phơn bố t ng đối đều dọc theo chiều dƠi c a nó (Hình 2.4.a)

Th i gian phát triển c a kênh tiên đạo mỗi đợt kéo dƠi trung bình khoảng 1s (nh vậy mỗi đợt kênh tiên đạo kéo dƠi thêm trung bình khoảng vƠi chục mét)

Th i gian tạm ng ng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng từ 30  90s

Điện tích ơm tổng từ mơy trƠn vƠo kênh tiên đạo bằng Q = L ( mật độ điện tích, L lƠ chiều dƠi kênh) Điện tích nƠy th ng chiếm khoảng 10% l ợng điện tích chạy vƠo đất trong một lần phóng điện sét D ới tác dụng c a điện tr ng tạo nên b i điện tích c a mơy dông vƠ điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu (th ng lƠ điện tích d ng) trên vùng mặt đất phía d ới đám mơy dông Nếu vùng đất phía d ới bằng phẳng vƠ có điện dẫn đồng nhất thì

n i điện tích cảm ng tập trung sẽ nằm trực tiếp d ới kênh tiên đạo Nếu vùng đất phía d ới có điện dẫn khác nhau thì điện tích sẽ tập trung ch yếu vùng kế cận, n i có điện dẫn cao nh vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng n ớc ngầm, kết cấu kim loại các nhƠ cao tầng, cột điện, cơy cao bị ớt trong m a vƠ n i đó sẽ lƠ n i đổ bộ c a sét

C ng độ điện tr ng đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển

c a nó (trong mơy dông) đ ợc xác định b i điện tích bản thơn c a kênh vƠ c a

điện tích tích tụ đám mơy Đ ng đi c a kênh trong giai đoạn nƠy không phụ thuộc vƠo tình trạng c a mặt đất vƠ các vật thể mặt đất Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao nƠo đó (độ cao định h ớng) thì mới thấy rõ dần ảnh

h ng c a tập trung điện tích mặt đất vƠ các vật thể dẫn điện nhô khỏi mặt đất đối với h ớng phát triển tiếp tục c a kênh Kênh sẽ phát triển theo h ớng có

c ng độ điện tr ng lớn nhất

a Giai đoạn phóng điện tiên đạo

b Tiên đạo đến gần mặt đất hình thƠnh khu vực ion hóa mưnh liệt

c Giai đoạn phóng điện ng ợc hay phóng điện ch yếu

d Phóng điện ch yếu kết thúc

Hình 2.4 Các giai đo n phóng đi n sét vƠ bi n thiên

c a dòng đi n sét theo th i gian

những n i vật dẫn có độ cao (nhƠ chọc tr i, cột ăng ten, đƠi phát ) thì từ đỉnh c a nó n i điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng th i xuất hiện ion hóa tạo nên dòng tiên đạo phát triển h ớng lên đám mơy dông Chiều dƠi c a kênh tiên đạo từ d ới lên mơy tăng theo độ cao c a vật dẫn vƠ tạo điều kiện dễ dƠng cho sự định h ớng c a sét đánh vƠo vật dẫn đó

Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mơy dông tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh tiên đạo ng ợc chiều thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ng ợc lại hay phóng điện

ch yếu, t ng tự nh các quá trình phóng điện ng ợc trong chất khí điện

tr ng không đồng nhất (Hình 2.4.b) Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo vƠ mặt đất (hoặc giữa hai kênh tiên đạo ng ợc chiều) c ng độ điện tr ng tăng cao gơy nên ion hóa mưnh liệt dẫn đến sự hình thƠnh một dòng plasma mật độ điện tích (1016 1019

ion/m3) cao h n nhiều so với mật độ điện tích c a tia tiên đạo, điện dẫn c a nó tăng lên hƠng trăm lần, điện tích cảm ng từ mặt đất trƠn vƠo dòng ng ợc vƠ thực tế đầu dòng mang điện thế c a đất lƠm cho

c ng độ điện tr ng đầu dòng tăng lên gơy ion hóa mưnh liệt vƠ c nh vậy dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ng ợc lên trên theo đ ng chọn sẵn

c a kênh tiên đạo Tốc độ phát triển c a kênh phóng ng ợc rất cao vƠo khoảng 0,5.107  1,5.108m/s (bằng 0,05  0,5 vận tốc ánh sáng) t c lƠ nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển c a tiên đạo h ớng xuống Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mưnh liệt nên tia phóng điện ch yếu sáng chói (gọi lƠ chớp) vƠ sự giưn n đột ngột c a không khí bao quanh phóng điện ch yếu tạo nên những đợt sóng

ơm mưnh liệt gơy nên những tiếng nổ chát chúa (đó lƠ tiếng sấm) Đặc điểm quan trọng nhất c a phóng điện ch yếu lƠ c ng độ dòng điện lớn Nếu V lƠ tốc độ

c a phóng điện,  mật độ điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện ch yếu lên đến đám mơy dông vƠ bằng : is = V (Hình 2.4.c) Khi kênh phóng điện ch yếu lên tới đám mơy thì số điện tích còn lại c a mơy sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất vƠ cũng tạo nên chỗ sét đánh một dòng điện có trị số nhất định giảm nhanh t ng ng với phần đuôi sóng (Hình 2.4.d) Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng phóng điện sét th ng xảy ra nhiều lần kế tục nhau trung bình lƠ 3 lần, nhiều nhất có thể đến vƠi chục lần (Hình 2.5) Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt nh lần đầu), không phơn nhánh vƠ theo đúng quĩ đạo c a lần đầu nh ng với tốc độ cao h n (2.106

m/s)

Sự phóng điện nhiều lần c a sét đ ợc giải thích nh sau: Đám mây dông có thể có nhiều trung tơm điện tích khác nhau hình thƠnh do các dòng không khí xoáy trong mơy Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất vƠ trung tơm điện tích có c ng độ điện tr ng cao nhất Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo

thì hiệu thế giữa các trung tơm điện tích nƠy với trung tơm điện tích đầu tiên thực

tế không thay đổi vƠ ít có ảnh h ng qua lại giữa chúng Nh ng khi kênh phóng điện ch yếu đư lên đến mơy thì trung tơm điện tích đầu tiên c a đám mơy thực tế mang điện thế c a đất lƠm cho hiệu thế giữa trung tơm điện tích đư phóng với trung tơm điện tích lơn cận tăng lên vƠ có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với nhau

Hình 2.5 Quá trình phát tri n c a phóng đi n sét

Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất định do sự khử ion

ch a hoƠn toƠn nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo đó, liên tục vƠ với tốc

độ cao h n lần đầu

Sự phóng điện nhiều lần c a sét đ ợc giải thích nh sau: đám mơy dông có thể có nhiều trung tơm điện tích khác nhau hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất vƠ trung tơm điện tích có

c ng độ điện tr ng cao nhất Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu thế giữa các trung tơm điện tích nƠy với trung tơm điện tích đầu tiên thực tế không thay đổi vƠ ít có ảnh h ng qua lại giữa chúng Nh ng khi kênh phóng điện ch yếu đư lên đến mơy thì trung tơm điện tích đầu tiên c a đám mơy thực tế mang

điện thế c a đất lƠm cho hiệu thế giữa trung tơm điện tích đư phóng với trung tơm điện tích lơn cận tăng lên vƠ có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với nhau Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất định do sự khử ion ch a hoƠn toƠn nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo đó, liên tục

vƠ với tốc độ cao h n lần đầu

2 3 Các thông s ch y u c a sét

Dòng điện sét có dạng một sóng xung (Hình 2.6) Trung bình trong khoảng vƠi

ba s, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng vƠ sau đó giảm xuống chậm dần trong khoảng 20- 100 s tạo nên phần đuôi sóng

Sự lan truyền sóng điện từ tạo nên b i dòng điện sét gơy nên quá điện áp trong hệ thống điện, do đó cần phải biết những tham số ch yếu c a nó:

Biên độ dòng sét lƠ giá trị lớn nhất c a dòng điện sét Biên độ dòng sét không v ợt quá(200  300) kA

Th i gian đầu sóng (1) lƠ th i gian mƠ dòng sét tăng từ 0 đến giá trị cực đại trong khoảng từ (1  100)s với tia tiên đạo đầu tiên vƠ (5  50)s với tia sét lặp lại

Độ dƠi dòng điện sét (2) lƠ th i gian từ đầu dòng sét đến khi dòng sét giảm bằng ½ biên độ trong khoảng từ (20  350)s với các tia sét đầu tiên

và (5  50)s với các tia sét lặp lại

Tốc độ tăng dòng di/dt có thể đạt tới 70kA/s đối với tia sét đầu tiên vƠ

v ợt quá 200kA/s với các tia sét tiếp theo

Tốc độ tăng áp dV/dt đo đ ợc đạt tới 12kV/s

Cực tính dòng điện sét

Hình 2.6 D ng sóng dòng đi n sét

2.4 Biên đ dòng sét vƠ xác su t xu t hi n

Dòng điện sét có trị số lớn nhất vƠo lúc kênh phóng điện ch yếu đến trung tơm điện tích c a đám mơy dông Trị số dòng điện sét lớn nhất có phạm vi giới hạn rất rộng, giới hạn trên ghi đ ợc v ợt 150 kA, trị số nƠy rất ít gặp trong các

tr ng hợp sét đánh, mƠ phần lớn th ng gặp sét có trị số 30kA Dòng điện sét

có trị số từ 50 kA đến 100 kA có xảy ra nh ng ít, còn sét có dòng điện từ 100 kA

tr lên rất hiếm khi xảy ra, trị số nƠy chỉ dùng để tính toán khi thiết kế bảo vệ chống sét cho các công trình rất đặc biệt có nguy c xảy ra cháy hoặc nổ cho các trạm phơn phối điện quan trọng

Xác suất xuất hiện dòng điện sét (VI ) có biên độ bằng hoặc lớn h n Is có thể tính gần đúng theo biểu th c:

2.7 Tác h i c a dòng đi n sét

Các thiệt hại do sét cụ thể lƠ:

Gơy cháy, nổ, h hại công trình

Phá h y thiết bị, các ph ng tiện thông tin liên lạc

Gơy nhiễu loạn hay ng ng vận hƠnh hệ thống

Mất dữ liệu hay h dữ liệu

Ngừng các dịch vụ gơy tổn thất kinh tế vƠ các tổn thất khác

Gơy chết ng i

Do thiệt hại do sét rất lớn vƠ hầu nh không thể dự báo tr ớc nên việc phòng chống sét luôn lƠ mối quan tơm c a con ng i Cũng cần l u ý rằng việc phòng chống sét không thể đạt đ ợc m c an toƠn tuyệt đối mƠ hiện nay việc phòng chống sét chỉ nhằm giảm thiệt hại do sét m c thấp nhất

(2.1)

2.8 P hơn lo i công trình c n b o v

Công trình cần bảo vệ được phân loại theo nhiều cách khác nhau:

2.8.1 Theo tiêu chuẩn 20TCVN 46-84, công trình cần bảo vệ được chia làm ba cấp:

Cấp I lƠ các công trình, trong đó có tỏa ra các chất khí hay h i cháy, cũng nh các bụi hay sợi cháy, dễ dƠng chuyển sang trạng thái l lửng

vƠ có khả năng kết hợp với không khí hay các chất oxyt hóa khác tạo thƠnh các hỗn hợp nổ, có thể xảy ra trong điều kiện lƠm việc bình

th ng Khi xảy ra nổ sẽ gơy ra phá hoại lớn, lƠm chết ng i

Cấp II lƠ các công trình, trong đó có tỏa ra các chất khí hay h i cháy, cũng nh các bụi hay sợi cháy, dễ dƠng chuyển sang trạng thái l lửng vƠ có khả năng kết hợp với không khí hay các chất oxyt hóa khác tạo thƠnh các hỗn hợp nổ Nh ng khả năng nƠy chỉ xảy ra khi có sự cố hay lƠm sai qui tắc Khi xảy ra nổ chỉ gơy ra các h hỏng nhỏ, không lƠm chết ng i

Cấp III lƠ các công trình còn lại Tuy nhiên, một số công trình cấp III

có tầm quan trọng về chính trị, kinh tế vƠ nguy hiểm cho ng i thì

đ ợc phép nơng lên cấp II

2.8.2 Theo tiêu chu n NFPA 780, công trình cần bảo vệ đ ợc chia lƠm hai

cấp:

Cấp I lƠ các công trình có chiều cao không v ợt quá 23m

Cấp II lƠ các công trình có chiều cao v ợt quá 23m

2.8.3 Theo tiêu chu n NZS/AS 1768-1991, m c độ yêu cầu bảo vệ công

trình phụ thuộc vƠo m c độ r i ro vƠ thiệt hại do sét gơy ra Chỉ số r i ro R xác

(2.3)

đơy: A tùy thuộc vƠo tính chất công trình (dễ cháy nổ, nhƠ , xí nghiệp,…);

B tùy thuộc vƠo vật liệu vƠ kích th ớc công trình; C tùy thuộc vƠo chiều cao công trình; D tuỳ thuộc vƠo cao độ công trình so với mặt biển; E tùy thuộc số ngƠy dông trong một năm

Tùy theo giá trị c a R mƠ công trình cần bảo vệ đ ợc chia lƠm năm cấp: không cần bảo vệ, cần bảo vệ, bảo vệ m c trung bình, bảo vệ m c cao vƠ bảo vệ

m c rất cao

2.8 4 Theo tiêu chu n NFC 17-102 1995, căn c vƠo: Kích th ớc công trình;

môi tr ng xung quanh công trình (dễ cháy, dễ nổ, nóng, ); loại công trình (dơn dụng, công nghiệp); loại vật liệu ch a trong công trình; có hay không ng i lƠm việc th ng xuyên; mật độ sét trong vùng xơy dựng công trình, công trình cần bảo vệ đ ợc chia lƠm bốn cấp:

Cấp 1 + Biện pháp bảo vệ bổ xung

Cấp 1 (t ng ng với dòng xung đỉnh 2.8kA)

Cấp 2 (t ng ng với dòng xung đỉnh 9.5kA)

Cấp 3 (t ng ng với dòng xung đỉnh 14.7kA)

Tùy theo cấp mƠ công trình đ ợc xếp vƠo, cần có các giải pháp chống sét cho

phù hợp nhằm giảm r i ro thiệt hại do sét lƠ thấp nhất

CH NG 3

3.1 Các d ng xung không chu k ỳ chu n

Hình 3.1: D ng sóng xung không chu kỳ chu n

Các xung không chu kỳ chuẩn gồm xung dòng điện và xung điện áp là

những dạng xung c bản rất cần thiết cho việc thử nghiệm các thiết bị bảo

vệ quá áp cũng nh thử nghiệm cách điện c a các thiết bị điện Dạng sóng

c a các xung này th ng qui định trong các tiêu chuẩn chống sét vƠ có dạng điển hình trình bày hình 3.1

Ph ng trình mô tả dạng xung dòng điện và xung điện áp chuẩn có dạng: i(t) = I(e-at– e-bt

Dạng xung dòng gồm 2 thành phần Ie-at và Ie-bt nh hình 3.2:

Hình 3 4: Đ ng cong xác định tỉ s at 1

Hình 3.5: Đ ng cong xác định tỉ s I 1 /I

3.2 Xây d ng m i liên h gi a các thông s trong mô hình

Để thuận tiện cho việc xác định các thông số c a ph ng trình 3.1 và 3.2

vƠ tạo điều kiện xác định các thông số nƠy một cách tự động, cần xác định mối

t ng quan giữa các biến số thông qua các hàm toán học dựa trên tọa độ các điểm nằm trên các đ ng cong hình 3.3, 3.4 và 3.5

Bằng cách sử dụng tính năng Curve Fitting trong Curve Fitting Toolbox

c a phần mềm MATLAB ( R2009b) có thể nhanh chóng xác định các mối quan hệ giữa các thông số với sai số nằm trong phạm vi cho phép

3.2.a Quan h gi a tỉ s t 2 / t 1 và b/a

Do tỉ số t2 / t1 là giá trị cho tr ớc nên để đ n giản hóa việc tính toán, xem trục tỉ số t2/t1 là trục 0x và trục tỉ số b/a là trục 0y

Nhập dữ liệu t2/t1 và b/a từ đ ng cong 3.12 vƠo cửa sổ Workspace, kết quả trình bƠy hình 3.6

t 2 /t 1 (X):

[2.5;2.7;2.9;3.1;3.3;3.9;4.2;5;5.8;7.1;8.2;9.7;10.9;14;16.2;20.5;26.5;32;35.5;37.3;41.7;48;49.5;70]

b/a (Y):

[2;3;4;5;6;8;10;17.5;20;30;40;50;60;80;100;140;200;250;290;300;340;400;410;600]

Hình 3.6: Nh p d li u t 2 /t 1 và b/a

Lần l ợt lựa chọn các dạng hàm toán học đ ợc đề xuất vƠ chọn dạng hƠm toán học nƠo cho kết quả chính xác nhất (R—square>=0.9999)

Kết quả đạt đ ợc ng với hƠm Linear model Poly 4, cụ thể nh sau:

3.2 b Quan h gi a tỉ s b/a và at1

Qui trình thực hiện t ng tự nh trên, ng với hƠm General model Rat 23:

Rational, kết quả cụ thể nh sau:

Cửa sổ Rational chọn Quadratic, cửa sổ Denominator chọn Cubic polynomial

f(x) = (p1*x^2 + p2*x + p3) / (x^3 + q1*x^2 + q2*x + q3)

Coefficients (with 95% confidence bounds):

p1 = 4.536 (3.919, 5.152) q1 = 8.711 (-1.603, 19.02)

p2 = -4.493 (-27.65, 18.67) q2 = -20.34 (-26.64, -14.03) p3 = 22.14 (-12.91, 57.19) q3 = 39.4 (10.24, 68.55)

Goodness of fit: R-square: 0.9996 RMSE: 0.006391 SSE: 0.0007762 Adjusted R-square: 0.9995

 (at1)=[4,535.(b/a)2 – 4,657.(b/a) + 22,46)]/[1.(b/a)3 + 8,655.(b/a)2 –

xung áp)

Các b c th c hi n: Từ thông số (t2/t1) và ph ng trình (3.5) sẽ tìm đ ợc giá trị (b/a), tiếp tục thay giá trị này vào các ph ng trình (3.6) và (3.7) Sau cùng sẽ tìm đ ợc các giá trị cần tìm là a, b

Kết quả thực hiện mô hình trên MATLAB nh hình 3.7

Hình 3.7: S đ kh i t o ngu n phát xung

Tiến hành nhóm các khối t h Ơ n h ph ầ n vào một khối con Subsystem Sau

đó, sử dụng công cụ Edit Mask đ ể xây dựng khối này thành khối nguồn phát xung hoàn chỉnh giao diện thơn thiện, giúp ng i sử dụng có thể nhập giá trị biên độ và dạng sóng mong muốn, vƠ sau đó chép vào th viện My Library

để tiện sử dụng

Hình 3.8 Bi u t ợng c a mô hình ngu n phát xung

Sử dụng Edit Mask để tạo biến yêu cầu nhập vào cho mô hình nguồn phát xung nh hình 3.9:

3.4 Th c hi n mô ph ng

Mô ph ng ngu n phát xung dòng

Hình 3.10: S đ mô ph ng ngu n xung dòng Hình 3.9: Khai báo các thông s yêu c u

Sau đơy, tiến hƠnh mô phỏng các xung thông dụng qui định trong các tiêu chuẩn trong vƠ ngoƠi n ớc nh :

+ Xung dòng 8/20s, đặc tr ng cho xung dòng sét cảm ng với các biên độ 1,5kA, 2kA, 3kA, 5kA, 10kA, 20kA, t ng ng với khả năng tản xung sét định

m c c a các MOV hạ áp

+ Xung dòng 10/350us, đặc tr ng cho xung dòng đánh trực tiếp vƠo đ ng dơy với biên độ 10kA, t ng ng với khả năng tản xung sét định m c c a các MOV trung áp

+ Xung dòng 1/5us, đặc tr ng cho xung đóng cắt d ng dơy với biên dộ 10kA

Sau đó, tiến hƠnh kiểm tra độ chính xác về biên độ, độ dốc đầu sóng vƠ độ dốc đuôi sóng so với qui định

Nhập các thông số cho nguồn phát xung dòng nh hình 3.11

Hình 3.11: Thông s c a ngu n phát xung sét

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µ s biên độ 5kA thu đ ợc kết quả

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µ s biên độ 1,5kA thu đ ợc kết quả nh hình 3.14

Hình 3.14: D ng sóng ngu n xung dòng 8/20µs ậ 1,5kA

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µ s biên độ 2kA thu đ ợc kết quả

nh hình 3.15

Hình 3.15: D ng sóng ngu n xung dòng 8/20µs ậ 2kA

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µ s biên độ 3kA thu đ ợc kết quả

nh hình 3.16

Hình 3.16: D ng sóng ngu n xung dòng 8/20µs ậ 3kA

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µ s biên độ 20kA thu đ ợc kết quả nh hình 3.17

Hình 3.17: D ng sóng ngu n xung dòng 8/20µs ậ 20kA

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 1/5µ s biên độ 10kA thu đ ợc kết quả

nh Hình 3.18

H ình 3.18: D ng sóng ngu n xung dòng 1/5µs ậ 10kA

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 10/350µ s biên độ 10kA thu đ ợc kết quả nh hình 3.19

Hình 3.19: D ng sóng ngu n xung dòng 10/350µs ậ 10kA

3.5 Nh n xét

Mô hình nguồn phát xung sét nêu trên có các u điểm nh sau:

+ Dễ sử dụng vì thông số c a xung sét yêu cầu có thể nhập trực tiếp thông qua

đ ợc bảo vệ tránh h hại do quá áp

ThƠnh phần c bản c a biến tr lƠ ZnO, bismuth, cobalt, manganses và các ôxít kim loại khác Cấu trúc c a biến tr bao gồm một ma trận hạt dẫn ZnO nối qua biên hạt cho đặc tính tiếp giáp P-N c a chất bán dẫn Các biên nƠy lƠ nguyên nhân làm cho biến tr không dẫn điện áp thấp vƠ lƠ nguồn dẫn phi tuyến khi điện áp cao

Hình 4.1: C u trúc vƠ đặc tính V-I c a MOV

Điện áp ng ỡng c a MOV phụ thuộc bề dƠy c a MOV vƠ kích th ớc c a hạt ZnO Một đặc tính c bản c a MOV lƠ điện áp r i qua biên tiếp giáp giữa các hạt ZnO gần nh lƠ hằng số, vƠo khoảng (2-3,5)V Mối liên hệ nƠy đ ợc xác định

nh sau:

VƠ bề dƠy c a biến tr : D = (n + 1)d  (VN d)/3,5 (4.2)

Trong đó: n lƠ số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO; d lƠ kích th ớc trung bình c a hạt; VN lƠ điện áp r i trên MOV khi MOV chuyển hoƠn toƠn từ vùng dòng rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên đ ng đặc tính V-I với dòng điện 1mA

4.2 Nguyên lý ho t đ ng c a MOV

Vì cấu trúc biến tr ôxýt kim loại đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý c a biến tr lƠ ph c tạp h n chất bán dẫn thông th ng Nguyên lý hoạt động có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các diode bán dẫn nối nối tiếp – song song (Hình 4.1) Cấu trúc c bản c a khối biến tr ZnO lƠ kết quả tạo hạt ZnO Trong suốt quá trình xử lý, sự biến đổi các thƠnh phần hóa học lƠm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện tr suất rất cao ( = 1010

-1012 cm) vƠ bên trong hạt tính dẫn điện rất cao ( =0,1-10cm) Điện tr suất giảm mạnh từ biên đến hạt với khoảng cách khoảng 50 đến 100nm, vùng nƠy đ ợc biết nh lƠ vùng hẹp Vì vậy, tại một biên hạt có sự tồn tại vùng hẹp cả hai phía đến các hạt kế cận Hoạt động c a biến tr chính lƠ do sự có mặt c a vùng hẹp nƠy B i vì vùng nƠy thiếu hụt các điện tử tự do, cho nên hình thƠnh vùng hẹp (vùng nghèo) điện tích không gian trong hạt ôxít kẽm tại miền gần các biên tiếp giáp c a các hạt Điều nƠy giống nh tiếp giáp p-n c a diode bán dẫn vƠ điện dung c a lớp tiếp giáp này phụ thuộc vƠo điện áp đặt vƠo tiếp giáp theo biểu th c:

(4.3)

đơy: Vb lƠ điện thế rƠo; V lƠ điện áp đặt vƠo; q lƠ điện tích điện tử; s là hằng số điện môi c a chất bán dẫn; N lƠ mật độ hạt dẫn

sN q

V V C

b



) (

2 1

2





Từ mối liên hệ nƠy, mật độ hạt dẫn N c a ZnO đ ợc xác định khoảng 2x1017/cm3

các vùng hẹp các hạt dẫn trôi tự do vƠ đơy lƠ nguyên nhơn gơy ra dòng điện

rò Dòng rò đ ợc gơy ra do các hạt dẫn trôi tự do qua điện tr ng rƠo thấp vƠ

đ ợc kích hoạt b i nhiệt độ ít nhất lƠ trên 25o

C

Hình 4.2 chỉ ra s đồ năng l ợng c a ZnO, biên tiếp giáp ZnO Điện áp phơn cực thuận VLphía bên trái c a hạt, điện áp phơn cực ng ợc VRphía bên phải c a hạt Độ rộng vùng nghèo lƠ XL và XR, với độ lớn điện thế rƠo t ng ng lƠ L và

R Điện thế phơn cực tại gốc lƠ o Khi điện áp phơn cực gia tăng, L giảm vƠ

R tăng, dẫn đến điện thế rƠo thấp h n vƠ sự dẫn điện gia tăng

Độ lớn điện thế rƠo L c a biến tr lƠ một hƠm theo điện áp (Hình 4.3) Sự giảm nhanh c a điện thế rƠo điện áp cao t ng ng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi tuyến

C chế vận chuyển c a vùng phi tuyến lƠ rất ph c tạp vƠ vẫn còn tiếp tục nghiên c u vùng dẫn cao, giá trị điện tr giới hạn tùy thuộc vƠo tính dẫn điện

c a các hạt bán dẫn ZnO, vùng dẫn nƠy mật độ hạt dẫn khoảng từ 1017

-1018/cm3 Điện tr suất c a ZnO có giá trị d ới 0,3cm Hình 4.3 trình bày quan

hệ giữa điện áp đặt vƠo vƠ điện thế rƠo

Hình 4.2: S đ năng l ợng ti p giáp ZnO ậbiên ậZnO

Hình 4.3: Quan h đi n th rƠo v i đi n áp đặt vƠo

Từ (4.4 ) vƠ (4.5) suy ra:

Theo đề nghị c a Manfred Holzer vƠ Willi Zapsky, xấp xỉ hoá đặc tính V/I

c a biến tr đ ợc quan hệ giữa điện áp vƠ dòng điện theo ph ng trình:

log V = B1 + B2 log( I) + B3· e -log ( I) + B4 e log ( I) với I > 0 (4.8)

) log(

)

4 I 3 2

 10 V

Hình 4.4: Đặc tính V-I c a MOV

Hoạt động c a biến tr tùy thuộc vƠo c chế dẫn điện giống nh các thiết bị bán dẫn khác Sự dẫn điện xảy ra rất nhanh với th i gian trễ tính bằng nano giơy (ns) Hình 4.5 đ ng cong (1) phía trên lƠ tr ng hợp không có biến tr , đ ng cong (2) phía d ới lƠ tr ng hợp có biến tr vƠ không đồng bộ với đ ng (1) vƠ cho thấy ảnh h ng điện áp kẹp xảy ra rất nhanh

Tuy nhiên, th i gian đáp ng c a MOV bị thay đổi do một số lý do:

- Điện áp cảm ng đầu dơy nối góp phần gia tăng đáng kể điện áp ngang qua đầu cực c a biến tr xung dòng cao vƠ độ dốc s n tr ớc lớn

- Điện dung ký sinh c a chính bản thơn MOV

- Tr kháng ngoƠi c a mạch

Đáp ng vƠ điện áp kẹp c a biến tr bị ảnh h ng b i dạng sóng dòng điện vƠ

độ vọt lố điện áp cực đại xuất hiện tại đầu cực c a biến tr trong suốt quá trình tăng dòng điện nh hình 4.6

500ps/DIV

Hình 4.5: Đáp ng c a bi n tr ZnO xung t c đ cao

a Đặc tính V-I c a biến tr ZnO khi

thay đổi th i gian tăng xung dòng b Điện áp kẹp thay đổi t ng ng với thay đổi đỉnh dòng xung

8/20s

Hình 4.6: Đáp ng c a bi n tr tính đ n đi n c m đ u dơy n i v i xung

dòng

4.2.2 Năng l ợng cho phép vƠ công su t tiêu tán trung bình

*Năng l ợng cho phép

Sự giƠ hóa c a biến tr liên quan đến năng l ợng quá độ, đ ợc xác định b i giá trị điện áp d cực đại VP với dòng điện đỉnh IP cũng nh dạng xung Đối với dạng xung sét chuẩn, năng l ợng cho phép vƠ đ ợc tính toán theo công th c (4.10)

W = VPIP(1,4T2 –0,88T1)10-6 (4.10) Năng l ợng cho phép c a MOV phụ thuộc vƠo đ ng kính c a MOV vƠ năng

l ợng v ợt giá trị cho phép khi:

 Dòng điện rò cao

 Điện áp tại 1mA bị suy giảm (điện áp ng ỡng)

 Hệ số phi tuyến  bị suy giảm

Tuổi thọ c a MOV còn thể hiện qua số lần xung tối đa mƠ MOV có thể chịu đựng đ ợc với xung vuông (hình 4.7)

Hình 4.7: S l n xung có th chịu đ ợc c a ch ng sét van MOV

* Công su t tiêu tán trung bình

Giá trị công suất tiêu tán trung bình đặc biệt quan tơm trong tr ng hợp điện

áp thay đổi, hệ số phi tuyến cao Từ công th c (4.4), công suất tiêu tán trung bình

đ ợc xác định: