Nghiên cứu giải pháp chống sét cho thiết bị điện và điện tử bên trong tòa nhà

Trong m ng đi n, quá đi n áp và quá trình quá độ do sét đánh là nguyên nhân ch yếu gây ra các s cố và làm h hỏng các thiết bị lắp đặt trong công trình.. nên vi c nghiên c u, đề ra gi i p

M C L C

Lý l ch khoa h c i

Nhi m v lu n văn th c sƿ iv

L i cam đoan v

L i cám n vi

M c l c vii

Danh m c hình nh ix

Danh m c b ng bi u xv

CH NG 1: T NG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các nghiên c u trong và ngoài n c 3

1.3 M c tiêu nghiên c u 3

1.4 Nhi m v nghiên c u và gi i h n đề tài 3

1.5 Ph ơng pháp nghiên c u 4

1.6 Điểm m i c a lu n văn 4

1.7 Giá trị th c ti n c a lu n văn 4

CH NG 2: THI T K L P Đ T CÁC H TH NG B O V CH NG XUNG SÉT ĐI N T (LPMS) 5

2.1 Gi i thi u tiêu chuẩn IEC 62.305 5

2.2 H thống b o v chống xung sét đi n từ 6

2.2.1 Các ph ơng án b o v chống xung sét đi n từ (LPMS) 7

2.2.2 Vùng b o v chống sét (LPZ) 9

2.2.3 Tính toán đi n từ tr ng trong LPZ 13

2.3 Nối đất và bao bọc 17

2.3.1 H thống nối đất 18

2.3.2 H thống bao bọc 18

2.3.3 S kết h p c a h thống nối đất và h thống bao bọc 20

2.3.4 Bao bọc t i ranh gi i c a LPZ 22

2.4 Cách th c đi dây 23

CH NG 3: XÂY D NG MÔ HÌNH MOV VÀ MÔ HÌNH SG TRONG MATLAB 25

3.1 Phân vùng b o v 25

3.2 Mô hình SG 26

3.2.1 Khe phóng đi n (Spark Gap) 26

3.2.2 Gi i thi u mô hình 27

3.2.3 Mô hình khe h phóng đi n không khí Spark gap 29

3.2.4 Mô phỏng mô hình Spark Gap 33

3.3 Mô hình MOV 37

3.3.1 MOV (Metal Oxide Varistor) 37

3.3.2 Nguyên lý làm vi c c a mô hình 39

3.3.3 Đánh giá mô hình 39

3.3.4 Xây d ng mô hình MOV 40

CH NG 4: PH I H P SPD 53

4.1 Tổng quát 53

4.2 M c tiêu chung và nguyên tắc phối h p các SPD 54

4.2.1 M c tiêu chung c a phối h p các SPD 54

4.2.2 Nguyên tắc phối h p 55

4.3 Phối h p biến đổi cơ b n cho h thống b o v 56

4.3.1 Biến đổi I 56

4.3.2 Biến đổi II 64

4.3.3 Biến đổi III 72

4.4 nh h ng c a đi n c m dây nối đến đi n áp d 80

CH NG 5: K T LU N VĨ H NG NGHIÊN C U PHÁT TRI N 84

5.1 Kết Lu n 84

5.2 H ng nghiên c u phát triển 84

TÀI LI U THAM KH O 85

DANH M C HÌNH NH

Hình 2.1: Nguyên tắc chung phân chia thành LPZ khác nhau 6

Hình 2.2a:LPMS sử d ng vùng bao bọc và phối h p SPD b o v " 8

Hình 2.2b: LPMS sử d ng vùng bao bọc c a LPZ 1 và SPD b o v ngõ vào c a 8

Hình 2.2c: LPMS sử d ng dây bọc bên trong và SPD b o v ngõ vào c a LPZ 1 ậ 8

Hình 2.2d: LPMS bằng cách chỉ sử d ng "phối h p SPD b o v " 9

Hình 2.2: B o v chống l i LEMP 9

Hình 2.3a: Liên kết gi a hai vùng LPZ 1 sử d ng SPD 10

Hình 2.3b: Liên kết gi a hai vùng LPZ 1 sử d ng cáp bọc hoặc ống d n cáp bọc 11

Hình 2.3c: Liên kết gi a hai vùng LPZ 2 sử d ng SPD 11

Hình 2.3d: Liên kết gi a hai vùng LPZ 2 sử d ng cáp bọc hoặc ống d n cáp bọc 11

Hình 2.4a: Biến áp đặt bên ngoài công trình 12

Hình 2.4b: Biến áp đặt bên trong công trình (LPZ 0 m rộng vào LPZ 1) 12

Hình 2.4c: Phối h p SPD (0/1) và SPD (1/2) 12

Hình 2.4d: Chỉ sử d ng một SPD (0/1/2) (LPZ 2 m rộng đến LPZ 1) 12

Hình 2.5a: Từ tr ng bên trong LPZ 1 13

Hình 2.5b: Từ tr ng bên trong LPZ 2 13

Hình 2.5: Đánh giá các giá trị từ tr ng trong tr ng h p c a một tia sét đánh tr c tiếp 13

Hình 2.6: Đánh giá các giá trị từ tr ng trong tr ng h p c a tia sét đánh gần đó 15 Hình 2.7: H thống nối đất ba chiều bao gồm các m ng l i bao bọc liên kết v i h thống nối đất 17

Hình 2.8: H thống nối đất d ng l i c a một nhà máy 18

Hình 2.9: Sử d ng gia cố thanh cho một công trình liên kết đẳng thế 19

Hình 2.10: Liên kết đẳng thế trong một công trình cốt thép 20

Hình 2.11: S kết h p c a h thống đi n t o thành h thống bao bọc 21

Hình 2.12: Kết h p các ph ơng pháp kết h p các h thống đi n tử trong h thống

bao bọc 22

Hình 2.13a: không b o v h thống 24

Hình 2.13b: Gi m từ tr ng bên trong đi vào LPZ b i không gian che chắn c a nó 24

Hình 2.13c: Gi m nh h ng c a tr ng trên đ ng dây theo dây che chắn 24

Hình 2.13d: Gi m di n tích vòng c m ng b i đ ng đi dây phù h p 24

Hình 2.13: Gi m hi u ng c m ng c a đ ng đi dây và bi n pháp che chắn 24

Hình 3.1: Các d ng xung sét tiêu chuẩn 25

Hình 3.2: Mô hình khe h không khí đề nghị 30

Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển SC 31

Hình 3.4: Khai báo các thông số trong Breaker 32

Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng phóng đi n khe h không khí trong MATLAB 32

Hình 3.6: T o biểu t ng cho mô hình trong MatLab 33

Hình 3.7: Biểu t ng mô hình khe h phóng đi n không khí Spark Gap 33

Hình 3.8: Sơ đồ m ch mô phỏng Spark Gap v i nguồn xung áp 34

Hình 3.9: Khai báo các thông số c a mô hình 34

Hình 3.10a: Đáp ng c a Spark Gap có Vbreak=3kV v i xung áp 1.2/50µs 5kV 35

Hình 3.10b: Đáp ng c a Spark Gap có Vbreak=3kV v i xung áp 1.2/50µs 10kV 35

Hình 3.11: Sơ đồ m ch mô phỏng Spark Gap v i nguồn xung dòng 36

Hình 3.12: Đáp ng c a Spark Gap v i xung dòng 8/20µs 4kA 36

Hình 3.13: Quan h dòng đi n ậ đi n áp c a mô hình MOV 38

Hình 3.14: Hộp tho i c a mô hình MOV trong Matlab 38

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý c a mô hình 39

Hình 3.16: Mô hình MOV 40

Hình 3.17: Đặc tính V ậ I c a MOV có sai số TOL  10% 41

Hình 3.18: Sơ đồ mô hình đi n tr phi tuyến V = f(I) c a MOV 41

Hình 3.19: Sơ đồ m ch t ơng đ ơng c a mô hình MOV đề nghị 43

Hình 3.20: Biểu t ng mô hình MOV h thế 43

Hình 3.21: Hộp tho i khai báo biến Parameters c a mô hình MOV h thế 44

Hình 3.22: Hộp tho i Initialization c a mô hình MOV h thế 45

Hình 3.23: Hộp tho i thông số mô hình MOV h thế 45

Hình 3.24: Sơ đồ mô phỏng đáp ng c a MOV h thế 46

Hình 3.25: Đi n áp d và dòng đi n qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV VE17M02750K v i xung 8/20µs ậ 2kA 47

Hình 3.26: Đi n áp d và dòng đi n qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV VE17M 02750K v i xung 8/20µs ậ 3kA 47

Hình 3.27: Đi n áp d và dòng đi n qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV VE13M 02750K v i xung 8/20µs ậ 2KA 48

Hình 3.28: Đi n áp d và dòng đi n qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV V275LA 40A v i xung 8/20µs ậ 3kA 49

Hình 3.29: Đi n áp d và dòng đi n qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV V275LA 40A v i xung 8/20µs ậ 5kA 49

Hình 3.30: Đi n áp d và dòng đi n qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV B60K275 v i xung 8/20µs ậ 5kA 51

Hình 3.31: Đi n áp d và dòng đi n qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV B60K275 v i xung 8/20µs ậ 10kA 51

Hình 3.32: Đi n áp d và dòng đi n qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV B60K275 v i xung 8/20µs ậ 20kA 51

Hình 4.1: Ví d cho các ng d ng c a SPD trong các h thống phân phối nguồn 53

Hình 4.2: Mô hình cơ b n cho năng l ng phối h p c a SPD 55

Hình 4.3: Phối h p biến đổi I 56

Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng matlab phối h p các SPD có đặc tuyến đi n áp/dòng đi n liên t c 57

Hình 4.5: Phối h p biến đổi I - SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 57

Hình 4.5-a: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 57

Hình 4.5-b: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 2 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 58

Hình 4.5-c: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 1 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 58

Hình 4.6: Phối h p biến đổi I - SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 59 Hình 4.6-a: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 59 Hình 4.6-b: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 2 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 59 Hình 4.6-c: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 1 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 60 Hình 4.7: Phối h p biến đổi I - SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 60 Hình 4.7-a: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 60 Hình 4.7-b: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 2 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 61 Hình 4.7-c: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 1 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 61 Hình 4.8a: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA v i dòng xung b o v c c đ i c a 3 tầng SPD gi m dần 62 Hình 4.8b: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA

v i dòng xung b o v c c đ i c a 3 tầng SPD gi m dần 62 Hình 4.8c: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA

v i dòng xung b o v c c đ i c a 3 tầng SPD gi m dần 63 Hinh 4.8: Phối h p biến đổi I ậ Phối h p 3 SPD v i dòng xung b o v c c đ i c a 3

tầng SPD gi m dần 63 Hình 4.9: Phối h p biến đổi II 64 Hình 4.10: Sơ đồ mô phỏng matlab phối h p các SPD có đặc tuyến đi n áp/dòng

đi n liên t c 65 Hình 4.11: Phối h p biến đổi II - SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 65 Hình 4.11-a: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 65 Hình 4.11-b: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 2 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 66 Hình 4.11-c: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 1 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 66 Hình 4.12: Phối h p biến đổi II - SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 67 Hình 4.12-a: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 67 Hình 4.12-b: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 2 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 67 Hình 4.12-c: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 1 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 68 Hình 4.13: Phối h p biến đổi II - SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 68 Hình 4.13-a: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 68

Hình 4.13-b: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 2 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 69

Hình 4.13-c: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 1 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 69

Hình 4.14-a: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA v i dòng xung b o v c c đ i c a 3 tầng SPD gi m dần 70

Hình 4.14-b: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA v i dòng xung b o v c c đ i c a 3 tầng SPD gi m dần 70

Hình 4.14: Phối h p biến đổi II ậ Phối h p 3 SPD v i dòng xung b o v c c đ i c a 3 tầng SPD gi m dần 70

Hình 4.15: Phối h p biến đổi III 72

Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng matlab phối h p các SPD có đặc tuyến đi n áp/dòng đi n liên t c 72

Hình 4.17: Phối h p biến đổi III - SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 73

Hình 4.17-a: Phối h p biến đổi III ậ Phối h p 1 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 73

Hình 4.17-b: Phối h p biến đổi III ậ Phối h p 2 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 74

Hình 4.17-c: Phối h p biến đổi III ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 3kA 74

Hình 4.18: Phối h p biến đổi III - SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 75

Hình 4.18-a: Phối h p biến đổi III ậ Phối h p 1 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 75

Hình 4.18-b: Phối h p biến đổi III ậ Phối h p 2 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 76

Hình 4.18-c: Phối h p biến đổi III ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 20kA 76

Hình 4.19: Phối h p biến đổi III - SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 77

Hình 4.19-a: Phối h p biến đổi III ậ Phối h p 1 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 77 Hình 4.19-b: Phối h p biến đổi III ậ Phối h p 2 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 78

Hình 4.19-c: Phối h p biến đổi III ậ Phối h p 3 SPD v i xung dòng có biên độ 70kA 78

Hình 4.20: Xung đi n áp gi a dây d n và thanh liên kết 80

Hình 4.21: Mô hình mô phỏng phối h p 1SPD bỏ qua c m kháng đ ng dây 81

Hình 4.22: Mô phỏng bỏ qua đi n kháng trên đ ng dây 81

Hình 4.23: Mô hình mô phỏng phối h p 1SPD xét đến đi n kháng đ ng dây 82

Hình 4.24: Mô phỏng xét đi n kháng trên đ ng dây 82

Hình 2.25 ậ a: Mối nối T 83

Hình 2.25 ậ b: Mối nối V 83

Hình 2.25: Mối nối T và V 83

DANH M C B NG BI U

B ng 2.1: H số che chắn c a m ng l i bao bọc ng v i một m c xung 15

B ng 2.2: Mặt cắt tối thiểu cho các thành phần liên kết 23

B ng 3.1: Xung sét c c đ i theo vùng b o v và m t độ sét 26

B ng 3.2: Kết qu so sánh khi mô phỏng SSG3X-1 c a hãng EPCOS và DGP B255 c a hãng DEHN v i nguồn xung áp 1.2/50 µs 36

B ng 3.3: Kết qu so sánh khi mô phỏng FLASHTRAB FLT-PLUS c a hãng PHOENIX CONTACT v i nguồn xung dòng 8/10µs 37

B ng 3.4: Thông số k thu t MOV h thế c a hãng AVX 46

B ng 3.5: Kết qu so sánh khi mô phỏng MOV h thế c a hãng AVX 48

B ng 3.6: Thông số k thu t MOV h thế c a hãng Littelfuse 48

B ng 3.7: Kết qu so sánh khi mô phỏng MOV h thế c a hãng Littelfuse 50

B ng 3.8: Thông số k thu t MOV h thế c a hãng SIEMENS 50

B ng 3.9: Kết qu mô phỏng MOV h thế c a hãng SIEMENS 52

B ng 4.1: Kết qu so sánh khi mô phỏng phối h p SPD theo ph ơng pháp phối h p biến đổi 1 62

B ng 4.2: Kết qu so sánh khi mô phỏng phối h p SPD theo ph ơng pháp phối h p biến đổi 1 v i 2 kiểu phối h p thay đổi dòng xung sét b o v 63

B ng 4.3: Kết qu so sánh khi mô phỏng phối h p SPD theo ph ơng pháp phối h p biến đổi 2 69

B ng 4.4: Kết qu so sánh khi mô phỏng phối h p SPD theo ph ơng pháp phối h p biến đổi 2 v i 2 kiểu phối h p thay đổi dòng xung sét b o v 71

B ng 4.5: Kết qu so sánh khi mô phỏng phối h p 3 SPD c a biến đổi 1 và biến đổi 2 71

B ng 4.6: Kết qu so sánh khi mô phỏng phối h p SPD theo ph ơng pháp phối h p biến đổi 3 79

B ng 4.7: Kết qu so sánh khi mô phỏng phối h p SPD c a biến đổi 1, biến đổi 2 và biến đổi 3 79

B ng 4.8: Kết qu so sánh tr ng h p bỏ qua đi n kháng và tính đi n kháng c a dây nối 82

CH NG 1:

T NG QUAN

1.1 Đ t vấn đ

Theo c tính c a các nhà chuyên môn, trên khắp mặt địa cầu, c mỗi giây,

có kho ng 100 lần sét đánh xuống mặt đất Sét không nh ng có thể gây th ơng vong cho con ng i mà còn có thể phá h y nh ng tài s n c a con ng i nh các công trình xây d ng, công trình cung cấp năng l ng, ho t động hàng không, các thiết bị dùng đi n, các Đài Truyền thanh ậ Truyền hình, các h thống thông tin liên l c…

Vi t Nam là một n c nằm trong khu v c nhi t đ i ẩm gió mùa, khí h u Vi t Nam rất thu n l i cho vi c phát sinh, phát triển c a dông sét Số ngày có dông

Vi t Nam thuộc lo i khá l n Trong m ng đi n, quá đi n áp và quá trình quá độ do sét đánh là nguyên nhân ch yếu gây ra các s cố và làm h hỏng các thiết bị lắp đặt trong công trình Nên vi c đề ra các gi i pháp chống sét, l a chọn, phối h p các thiết bị b o v phù h p và nghiên c u chế t o thiết bị chống sét đóng vai trò rất quan trọng trong vi c h n chế nh ng tác h i do sét gây ra

Thi t h i do sét lan truyền trong các thiết bị dùng đi n trong th c tế là rất

l n Theo thống kê, hàng năm c n c có hàng nghìn tr ng h p các thiết bị đi n tử trong gia đình, doanh nghi p bị sét tấn công, thi t h i lên t i hàng trăm tỉ đồng Ch

yếu là các thiết bị đi n tử nh : Tivi, máy tính, đầu đĩa, thiết bị thông tin vi n thông nên vi c nghiên c u, đề ra gi i pháp chống sét lan truyền trong tòa nhà đóng vai trò rất quan trọng

Nhìn chung, m ng h áp không truyền t i công suất l n nh ng l i tr i trên

di n rộng và cung cấp đi n năng tr c tiếp cho các hộ tiêu th nên nó l i là nguyên nhân d n sét vào công trình, gây ngừng dịch v , h hỏng thiết bị Thống kê cho

thấy, h u qu không mong muốn c a quá áp do sét lan truyền trên m ng phân phối

h áp gây ra thi t h i rất l n và nhiều lúc không thể đánh giá c thể đ c Vấn đề

đ c đề c p một cách cấp bách trong nh ng năm gần đây là các trang thiết bị đi n

tử đư tr thành các thiết bị đ c sử d ng ngày càng nhiều và rất phổ biến trong các

tòa nhà, các công trình mọi lãnh v c nh b u chính vi n thông, phát thanh, truyền hình, công nghi p… Các thiết bị này vốn rất nh y c m v i đi n áp cao và cách đi n

d tr c a chúng rất mong manh vì thế cần ph i tính toán l a chọn, phối h p và

kiểm tra các thiết bị b o v chống sét một cách hi u qu , chính xác để tránh x y ra

h hỏng cho các thiết bị này

Do các thiết bị chống sét là thiết bị phi tuyến cho nên vi c đánh giá các đáp

ng ngõ ra ng v i sóng sét lan truyền v i m c chính xác cao theo ph ơng pháp

gi i tích truyền thống gặp nhiều khó khăn Bên c nh đó, do n c ta v n còn bị h n

chế về trang thiết bị thí nghi m cao áp, số l ng phòng thí nghi m cao áp còn khiêm tốn nên rất khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên c u b o v chống sét lan truyền t i Vi t Nam Tuy nhiên, ngày nay, v i s phát triển c a k thu t mô hình hóa và mô phỏng đư giúp cho chúng ta hiểu biết thêm về s t ơng tác gi a các yếu

tố cấu thành một h thống cũng nh toàn bộ h thống, đặc bi t là rất h u ích cho

vi c mô phỏng sét

Hi n nay, các nhà nghiên c u và một số nhà s n xuất thiết bị chống sét lan truyền trên đ ng nguồn h áp cùng một số phần mềm mô phỏng hỗ tr đư đề ra

một số mô hình thiết bị chống sét lan truyền v i m c độ chi tiết và quan điểm xây

d ng mô hình khác nhau Tuy nhiên, do đặc điểm c a ph ơng pháp mô hình hóa,

mô phỏng và yêu cầu về m c độ chính xác, m c t ơng đồng cao gi a mô hình và nguyên m u, các ph ơng pháp xây d ng mô hình và mô phỏng các thiết bị chống sét lan truyền v n còn nhiều tranh cãi và tiếp t c nghiên c u phát triển

Lu n văn này đi sâu vào nghiên c u xây d ng mô hình các thiết bị chống sét trong tòa nhà, sau đó sử d ng phần mềm mô phỏng đánh giá hi u qu b o v c a h

thống chống sét lan truyền Kết qu nghiên c u sẽ cung cấp thêm một công c mô phỏng h u ích cho các nhà nghiên c u, các gi ng viên, sinh viên các tr ng đ i học trong vi c nghiên c u các đáp ng c a thiết bị chống sét, d i tác động c a xung sét lan truyền và đánh giá hi u qu c a các h thống b o v chống sét lan truyền trong tòa nhà

1.2 Các nghiên c u trong vƠ ngoƠi n c

- Ngoài n c [1] : vấn đề b o v thiết bị đi n ậ đi n tử đ c đề c p trong tiêu chuẩn IEC 62305-4

- Trong n c [2-26]:

+ Đư có nh ng nghiên c u về Phối h p SPD b o v xung quá độ nh ng ch a đầy đ và mang tính h thống

+ Đư có nh ng nghiên c u về Xây d ng mô hình MOV trong Matlab nh ng

ch a đề c p đến cấu trúc b o v đa tầng và xem xét đến nh h ng c a dây nối đến

đi n áp d đầu ra c a SPD

+ Về nghiên c u đến thiết kế lắp đặt các bi n pháp b o v chống xung sét

đi n từ (LPMS) thì hi n nay Vi t Nam còn ch a đ c quan tâm

1.3 M c tiêu nghiên c u

 Nghiên c u h thống b o v chống xung sét đi n từ

 Nghiên c u h thống tiếp đất và bao bọc

 Nghiên c u bi n pháp che chắn từ và cách th c đi dây

 Nghiên c u đánh giá đi n từ tr ng trong LPZ

 Nghiên c u các kiểu phối h p SPD b o v xung quá độ

 Xây d ng mô hình MOV trong Matlab

 Xây d ng mô hình SG trong Matlab

 Xây d ng mô hình SPD

 Xây d ng các ph ơng pháp phối h p SPD b o v chống sét c a h thống trong tòa nhà

 Đánh giá hi u qu b o v c a các kiểu phối h p SPD

1.4 Nhi m v nghiên c u và gi i h n đ tài

 Nghiên c u tiêu chuẩn IEC 62305-4

 Nghiên c u các bi n pháp b o v thiết bị đi n ậ đi n tử bên trong tòa nhà chống h hỏng do tác h i c a xung sét

 Đề xuất ph ơng án b o v h p lý trong một số tr ng h p c thể

 Ph m vi nghiên c u gi i h n trong vi c đánh giá hi u qu b o v cho các thiết bị đi n ậđi n tử h áp bên trong tịa nhà

1.5 Ph ng pháp nghiên c u

 Thu th p và đọc hiểu tài li u liên quan

 Phân tích, tổng h p các kiến th c và tài li u nghiên c u liên quan đến lu n văn

 Mơ hình hĩa và mơ phỏng

1.6 Đi m m i c a lu n văn

 Đề xuất bi n pháp b o v chống xung sét đi n từ cho tịa nhà

 Xây d ng mơ hình SPD cĩ m c t ơng đồng cao so v i nguyên m u

 Đánh giá hi u qu b o v chống sét v i các kiểu phối h p SDP khác nhau

 Đánh giá nh h ng c a đi n c m dây nối đến đi n áp d

1.7 Giá tr th c ti n c a lu n văn

Cung cấp các mơ hình SPD ph c v cơng tác nghiên c u hi u qu b o v chống sét d i tác động c a xung sét đi n từ lên h thống đ ng cấp nguồn cho tịa nhà;

Kết qu nghiên c u là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm tới việc nghiên cứu các bi n pháp b o v chống xung sét đi n từ cho tịa nhà và hi u qu

b o v chống xung sét đi n từ cho tịa nhà và hi u qu b o v chống sét lan truyền trên đ ng nguồn v i các kiểu phối h p SPD khác nhau

CH NG 2:

2.1 Gi i thi u tiêu chu ẩn IEC 62.305

Tiêu chuẩn IEC 62.305 cung cấp thông tin cho thiết kế, kiểm tra, lắp đặt, b o trì và thử nghi m các bi n pháp b o v các h thống đi n và đi n tử trong công trình, làm gi m nguy cơ h hỏng th ng xuyên do xung sét đi n từ

Tiêu chuẩn này không bao gồm b o v chống nhi u đi n từ do sét đánh, có

thể gây nên h hỏng c a h thống đi n tử Tuy nhiên, tiêu chuẩn có thể áp d ng để đánh giá các nhi u lo n do sét Bi n pháp b o v chống l i nhi u đi n từ đ c thể

hi n trong lo t IEC 60364-4-44 và IEC 61.000

Tiêu chuẩn này cung cấp nguyên tắc cho s kết h p gi a các nhà thiết kế c a

h thống đi n và đi n tử và nhà thiết kế các bi n pháp b o v , trong một nỗ l c để

đ t đ c hi u qu b o v tối u

Tiêu chuẩn IEC 62.305 nêu ra các h hỏng th ng xuyên c a h thống đi n

và đi n tử gây ra b i xung sét đi n từ (LEMP) nh :

- D n và truyền xung c m ng đến thiết bị thông qua kết nối dây d n;

- nh h ng c a b c x tr ng đi n từ tr c tiếp đến các thiết bị c a chính nó

Xung tác động vào công trình có thể đ c t o ra từ bên ngoài hoặc bên trong:

- Xung tác động bên ngoài công trình đ c t o ra b i các tia sét l n đi vào

đ ng dây hoặc gần mặt đất, và đ c truyền t i h thống đi n và đi n tử qua nh ng

- D n và c m ng xung truyền đến thiết bị thông qua kết nối dây d n;

- nh h ng c a phát x tr ng đi n từ tác động tr c tiếp vào chính thiết

bị đó

Vì thế, các bi n pháp b o v là cần thiết để tránh h hỏng bên trong h thống B o v chống l i LEMP là d a trên khu v c b o v chống sét (LPZ) đ c qui c: mỗi phân vùng ch a h thống đ c b o v sẽ đ c chia nhỏ trong LPZ Các khu v c này về mặt lỦ thuyết chia nhỏ khối l ng c a không gian nơi mà m c

độ nghiêm trọng LEMP là phù h p v i m c độ chịu đ c c a các h thống nội bộ bên trong (Hình 2.1) Các khu v c kế tiếp đ c đặc tr ng b i nh ng thay đổi đáng

kể trong m c độ nghiêm trọng LEMP

Liên kết đến các dịch v tr c tiếp hoặc bằng SPD thích h p

Hình 2.1: Nguyên t c chung phơn chia thƠnh LPZ khác nhau

Hình 2.1 thể hi n ví d cho cách chia nhỏ cấu trúc bên trong công trình (LPZ) Tất c các đ ng dây dịch v bằng kim lo i đi vào công trình đ c tiếp đất thông qua thanh nối đất t i ranh gi i c a LPZ 1

Ngoài ra, các dây d n dịch v đi vào vùng LPZ 2 (ví d nh phòng máy tính)

đ c nối đất thông qua thanh nối đất đặt t i ranh gi i c a LPZ 2

2.2.1 Các ph ng án b o v ch ng xung sét đi n t (LPMS)

Hình 2.2 trình bày các ph ơng án b o v chống xung sét đi n từ:

● LPMS sử d ng không gian b o v và phối h p SPD để b o v chống từ

tr ng phát x và chống l i vi c d n xung sét đi vào công trình (Hình 2.2a) Không gian b o v đ c phân tầng và phối h p SPD đ c phân tầng có thể làm gi m từ

tr ng và xung sét xuống m c đe dọa thấp

● LPMS sử d ng không gian b o v c a LPZ 1 và SPD bên trong c a LPZ

1 để b o v thiết bị chống l i từ tr ng phát x và chống l i d n xung sét đi vào công trình (Hình 2.2b) Nh ng vi c b o v sẽ không đầy đ , nếu từ tr ng v n còn quá cao (do hi u qu che chắn thấp c a LPZ 1) hoặc nếu c ng độ xung v n còn quá cao

● LPMS t o ra bằng cách sử d ng các dây bọc, kết h p v i vỏ bọc thiết bị, sẽ

b o v chống l i từ tr ng phát x SPD t i ngõ vào c a LPZ 1 cung cấp s b o v chống l i d n xung sét đi vào công trình (Hình 2.2c) Để đ t đ c m c độ s cố thấp, một SPD đặc bi t có thể đ c yêu cầu (ví d nh thêm 1 tầng phối h p bên trong) để đ t đ c m c độ b o v đi n áp đ thấp

● LPMS đ c t o ra bằng cách sử d ng h thống b o v phối h p SPD, chỉ thích h p để b o v thiết bị không nh y c m v i từ tr ng phát ra, vì SPD chỉ cung cấp b o v chống l i d n xung sét đi vào công trình (Hình 2.2d) M c độ s cố xung

có thể h thấp bằng cách sử d ng SPD phối h p

Hình 2.2a:LPMS s d ng vùng bao b c và ph i h p SPD b o v "

- Thiết bị b o v chống l i xung sét đi vào công trình (U2 << U0 và I2 << I0)

và chống l i từ tr ng phát x (H2 << H0)

Hình 2.2b: LPMS s d ng vùng bao b c c a LPZ 1 và SPD b o v ở ngõ vào c a

LPZ 1 - Thiết bị b o v chống l i xung sét đi vào công trình (U1 <U0 và I1

<I0) và chống l i từ tr ng phát x (H1 <H0)

Hình 2.2c: LPMS s d ng dây b c bên trong và SPD b o v

ở ngõ vào c a LPZ 1 ậ

Thiết bị b o v chống l i xung sét đi vào công trình (U2 <U0 và I2 <I0)

và chống l i b c x từ tr ng (H2 <H0)

Hình 2.2d: LPMS bằng cách ch s d ng "ph i h p SPD b o v "

- Thiết bị b o v chống l i xung sét đi vào công trình (U2 << U0 và I2 << I0),

nh ng không chống l i từ tr ng phát x (H0)

Chú thích 1: SPD có thể đ c đặt t i các điểm sau đây:

- T i ranh gi i c a LPZ 1 (ví d nh t i t phân phối chính MB);

- T i ranh gi i c a LPZ 2 (ví d nh t i t phân phối th cấp SB);

- T i hoặc gần thiết bị (ví d nh t i ổ cắm SA)

Chú thích 2: Che chắn ( ) và không có màn chắn ( ) ranh gi i

Hình 2.2: B o v ch ng l i LEMP

2.2.2 Vùng b o v ch ng sét (LPZ)

IEC 62.305-1 định nghĩa các vùng b o v chống sét (LPZ) nh sau:

Khu bên ngoài

+ LPZ 0 : Vùng nơi chịu nguy hiểm là do tr ng đi n từ sét không bị suy

gi m và nơi mà các h thống nội bộ có thể chịu nh h ng c a dòng xung sét toàn phần hoặc một phần LPZ 0 đ c chia thành:

+ LPZ 0A : Vùng nơi mà nguy hiểm là do sét đánh tr c tiếp và đi n từ

tr ng toàn phần do sét Các h thống nội bộ có thể chịu nh h ng b i dòng xung sét toàn phần;

+ LPZ 0B : Vùng b o v chống l i sét tr c tiếp nh ng v n chịu nguy hiểm

c a đi n từ tr ng toàn phần do sét Các h thống nội bộ có thể ph i chịu một phần dòng xung sét

Khu bên trong: (b o v chống l i tia sét tr c tiếp)

+ LPZ 1 : Vùng nơi mà dòng xung sét đ c h n chế bằng cách phân dòng và

sử d ng SPD t i ranh gi i Không gian che chắn có thể làm gi m đi n từ tr ng sét

+ LPZ 2 n : Vùng nơi mà dòng xung sét có thể đ c tiếp t c h n chế bằng cách phân dòng và bằng cách thêm các SPD ranh gi i Không gian che chắn thêm vào có thể đ c sử d ng để tiếp t c làm gi m đi n từ tr ng sét

Hình 2.3a: Liên k t gi a hai vùng LPZ 1 s d ng SPD

Hình 2.3a trình bày hai LPZ 1 đ c kết nối b i đ ng dây t i hoặc đ ng dây tín hi u Bi n pháp b o v đặc bi t cần đ c xem xét nếu c hai LPZ 1 là 2 công trình riêng bi t v i các h thống nối đất riêng bi t, kho ng cách hàng ch c

hoặc hàng trăm mét từ công trình này đến công trình kia Trong tr ng h p này,

một phần l n c a dòng sét có thể ch y dọc theo các đ ng kết nối, mà dây d n này

không đ c b o v

Hình 2.3b: Liên k t giữa hai vùng LPZ 1 sử d ng cáp bọc hoặc ống d n cáp bọc

Hình 2.3b cho thấy rằng vấn đề này có thể đ c gi i quyết bằng cách sử d ng dây cáp bọc đ c b o v hoặc ống d n cáp bọc đ c liên kết gi a c hai vùng LPZ

1 này, v i điều ki n là che chắn có thể chống đ một phần dòng sét SPD có thể

đ c bỏ qua, nếu đi n áp rơi dọc theo vỏ bọc không là quá cao

Hình 2.3c: Liên k t gi a hai vùng LPZ 2 s d ng SPD

Hình 2.3c cho thấy hai LPZ 2 kết nối b i đ ng dây t i hoặc đ ng dây tín

hi u B i vì các dây này đ c đặt lộ thiên v i m c nguy hiểm c a LPZ 1, SPD ph i

đ c đặt ngõ vào mỗi LPZ 2 đ c yêu cầu

Hình 2.3d: Liên k t gi ữa hai vùng LPZ 2 sử d ng cáp bọc hoặc ống d n cáp bọc

Hình 2.3d cho thấy rằng nhi u có thể tránh và SPD có thể đ c bỏ qua, nếu cáp đ c b o v hoặc ống d n cáp đ c b o v sử d ng để kết nối c hai LPZ 2

Ngoài ra, có thể sử d ng ph ơng pháp m rộng vùng b o v sét trong nh ng

tr ng h p đặc bi t hoặc để gi m số l ng SPD yêu cầu (Hình 2.4)

Hình 2.4a: Bi n áp đ t bên ngoƠi công trình

Hình 2.4a cho thấy một công trình đ c cấp đi n b i một biến áp Nếu biến

áp đ c đặt bên ngoài công trình, chỉ có đ ng dây h áp đi vào công trình cần

đ c b o v b i SPD

Hình 2.4b: Bi n áp đ t bên trong công trình (LPZ 0 mở r ng vƠo LPZ 1)

Hình 2.4b cho thấy rằng có thể m rộng LPZ 0 đến LPZ 1.Khi biến áp đ c đặt bên trong công trình, ch s h u c a tòa nhà th ng không đ c phép áp d ng các bi n pháp b o v phía đi n áp cao

Hình 2.4c: Ph i h p SPD (0/1) vƠ SPD (1/2)

Hình 2.4c cho thấy LPZ 2 đ c cung cấp b i đ ng dây t i hoặc đ ng dây tín hi u Các đ ng dây này cần hai SPD phối h p: một t i ranh gi i c a LPZ1, cái khác t i ranh gi i c a LPZ 2

Hình 2.4d: Ch s d ng m t SPD (0/1/2) (LPZ 2 mở r ng đ n LPZ 1)

Hình 2.4d cho thấy rằng các dòng có thể l p t c đi vào LPZ 2 và chỉ có một SPD đ c yêu cầu, nếu LPZ 2 đ c m rộng vào LPZ 1 ph i sử d ng cáp bọc hoặc ống d n cáp bọc Chính điều này SPD sẽ làm gi m m c nguy hiểm tr c

tiếp c a LPZ 2

2.2.3 Tính toán đi n t tr ng trong LPZ

2.2.3.1 Vùng che chắn l i đi n của LPZ 1 trong tr ờng h p tia sét đánh trực ti p

Tia sét đánh tr c tiếp vào công trình sẽ ch y dọc theo chiều dài nó Tình

tr ng này đ c mô t b i Hình 2.5a gi định rằng sét đánh vào công trình t i một điểm tùy ý c a mái nhà

Bên trong LPZ 1 H1 = kH•i0•W1/(dw•√ ) (2.1) Trong đó: Kho ng cách dw và đ c xác định cho các điểm xem xét

Hình 2.5a: T tr ng bên trong LPZ 1

Trong đó: Kho ng cách dw và dr đ c xác định ranh gi i c a LPZ 2

Hình 2.5b: T tr ng bên trong LPZ 2 Hình 2.5: Đánh giá các giá tr t tr ng trong tr ng h p c a m t tia sét đánh

tr c ti p

Đối v i c ng độ từ tr ng H1 t i một điểm tùy ý bên trong LPZ 1, công

- Nguyên nhân b i sét đánh đầu tiên:

H1/f/max = kH.if/max.w/(dw.√ ) (A/m) (2.4)

2.2.3.2 Vùng che ch n l i đi n c a LPZ 1 trong tr ng h p c a gần tia sét

Tr ng thái gần tia sét đánh đ c thể hi n trong Hình 2.6 Các từ tr ng vốn

có xung quanh khối l ng b o v c a LPZ 1 có thể đ c xấp xỉ nh một m c sóng

Thép (xem chú thích 3) 20.log[(8,5/w)/√ 20.log(8,5/w)

w chiều rộng mắc l i c a m ng l i bao bọc (m)

r bán kính thanh d n c a m ng l i bao bọc (m)

Chú thích 1 SF = 0 trong tr ng h p kết qu mang dấu âm c a công th c

Chú thích 2 SF tăng lên 6 dB, nếu h thống l i liên kết đ c thiết l p là 5.2

Chú thích 3 Độ d n từ 200

Từ tr ng vốn có H0 đ c tính bằng cách sử d ng:

T i đây:

i0 là dòng sét trong LPZ 0Ađơn vị là amps;

sa là kho ng cách gi a tia sét và trung tâm c a khối l ng b o v , đơn vị

là mét

Theo đó cho giá trị tối đa c a từ tr ng trong LPZ 0:

- Nguyên nhân b i sét đánh đầu tiên:

H0/f/max = if/max/(2.π ) (A/m) (2.11)

H1/max = H0/max/ (A/m) (2.13)

T i đây:

SF (dB): là h số che chắn đánh giá từ các công th c c a B ng 2.1;

H0/max : là từ tr ng trong LPZ 0,đơn vị A / m

Từ điều này theo đó cho phép xác định giá trị tối đa c a từ tr ng trong LPZ 1:

- Nguyên nhân b i sét đánh đầu tiên:

H1/f/max = H0/f/max/ (A/m) (2.14)

- Nguyên nhân b i sét đánh lặp l i:

H1/s/max = H0/s/max/ (A/m) (2.15)

Nh ng giá trị từ tr ng chỉ phù h p cho một khối l ng an toàn Vs bên trong không gian che chắn l i đi n v i một kho ng cách an toàn ds/2 từ che chắn:

w: là chiều rộng mắc l i c a l i đi n che chắn, đơn vị mét

Để biết thêm thông tin liên quan đến vi c tính toán c ng độ từ tr ng bên trong l i đi n che chắn trong tr ng h p c a các tia sét gần đó

2.2.3.3 Vùng che ch n l i đi n cho LPZ 2 vƠ cao h n

L i đi n che chắn c a LPZ 2 và cao hơn, một phần dòng sét không đáng kể

sẽ rò rỉ Vì v y, nh là một ph ơng pháp tiếp c n đầu tiên, gi m c a Hn đến Hn+1

bên trong LPZn+1có thể đ c đánh giá b i 2.2.3.2 cho tia sét gần đó:

Hn+1 = Hn/10SF/20 (A/m) (2.18)

T i đây

SF: là h số che chắn từ B ng 2.2, đơn vị đêxiben;

Hn: là từ tr ng trong LPZ n, đơn vị ampe trên mét

2.3 N i đất và bao b c

Nối đất và bao bọc d a trên h thống nối đất hoàn chỉnh (Hình 2.7) bao gồm:

- H thống nối đất (phân tán dòng sét vào trong đất);

- H thống bao bọc (c c tiểu hóa chênh l ch thế và làm gi m từ tr ng)

Hình 2.7: H th ng n i đất ba chi u bao g m các m ng l i bao b c

liên k t v i h th ng n i đất

Trong đó h thống bao bọc tòa nhà bao gồm nh ng phần tử kim lo i và

nh ng điểm kết nối, chúng có thể tiếp nh n một phần dòng sét, d n và phân tán dòng vào đất

2.3.1 H th ng n i đất

Vòng nối đất xung quanh công trình, hoặc vòng nối đất bên trong bêtông dọc theo chu vi c a móng, nên đ c tích h p v i một m ng l i mắt l i d i bề mặt

l i và xung quanh công trình, có chiều rộng mắt l i điển hình 5 m Điều này giúp

c i thi n hi u qu c a vi c gi i h n h thống nối đất Một ví d về h thống nối đất

mắt l i c a một nhà máy đ c thể hi n trong Hình 2.8

1: Tòa nhà cao tầng v i h thống mắt l i đặt d i móng; 2: Tháp bên trong nhà máy; 3: Thiết bị độc l p; 4: Máng cáp

Hình 2.8: H th ng n i đất d ng l i c a m t nhƠ máy 2.3.2 H th ng bao b c

H thống bao bọc tr kháng thấp là cần thiết để tránh s nguy cơ chênh l ch

đi n thế c a tất c các thiết bị bên trong LPZ nội bộ Hơn n a, một h thống bao bọc nh v y cũng làm gi m từ tr ng

H thống bao bọc có thể đ c th c hi n bằng cách tổng h p h thống mắt

l i bao bọc gồm các phần d n đi n c a công trình, hoặc các phần c a h thống nội

bộ, và các phần bao bọc kim lo i hoặc các dịch v d n đi n tr c tiếp t i ranh gi i

c a mỗi LPZ hoặc bằng cách sử d ng các SPD phù h p

H thống bao bọc có thể đ c sắp xếp nh là công trình mắc l i ba chiều

v i một mắc l i điển hình chiều rộng 5m Điều này đòi hỏi nhiều mối liên kết các thành phần kim lo i trong và ngoài công trình (nh bê tông cốt thép, đ ng ray thang máy, cần cẩu, mái nhà bằng kim lo i, bề mặt kim lo i, khung kim lo i c a cửa

sổ và cửa ra vào, khung sàn kim lo i, đ ng ống dịch v và khay cáp) Thanh bao

bọc (ví d nh vòng thanh bao bọc, thanh bao bọc v i nhiều kích th c khác nhau

c a công trình) và che chắn từ c a LPZ sẽ đ c tổng h p trong cùng một cách th c

Ví d về các h thống bao bọc đ c trình bày trong Hình 2.9 và Hình 2.10

1: Dây thu sét; 2: Nắp che kim lo i bao rìa mái; 3: Thanh thép c ng l c; 4: Các thanh l i chon trong bêtông; 5: Điểm kết nối các thanh l i; 6: Điểm kết nối cho thanh nối đất bên trong công trình; 7: Kết nối bằng cách hàn hoặc kẹp; 8: Tùy ý

kết nối; 9: Bê tông cốt thép (thanh d n mắt l i bên trong); 10: Vòng nối đất (nếu có); 11: Nền móng đi n c c tiếp đất

a: Kho ng cách điển hình 5 m cho vi c xếp chồng các mắc l i dây d n

b: Kho ng cách điển hình 1 m cho vi c liên kết mắc l i này v i nền móng công trình

Hình 2.9: S d ng gia c thanh cho m t công trình liên k t đẳng th

1: Thiết bị đi n; 2: Xà thép; 3: Kim lo i che chắn mặt ngoài; 4: Liên kết mối nối; 5: Thiết bị đi n hoặc đi n tử; 6: Thanh liên kết; 7: Bê tông cốt thép (v i chồng vào

mắc l i d n); 8: Nền t ng đi n c c tiếp đất; 9: Ngõ vào chung c a các lo i dịch v khác nhau

Hình 2.10: Liên k t đẳng th trong m t công trình c t thép

2.3.3 S k t h p c a h th ng n i đất và h th ng bao b c

Các bộ ph n d n đi n (ví d nh t , thùng, k ) và b o v nối đất (PE) c a các h thống nội bộ đ c liên kết v i h thống bao bọc theo cấu hình (Hình 2.11):

M ng l i bao bọc ● Điểm kết nối đến m ng l i bao bọc

Dây d n bao bọc Ss Cấu hình điểm sao đ c t o nên b i điểm sao Thiết bị đi n Mm Cấu hình mắt l i đ c t o nên b i mắt l i ERP Điểm nối đất chuẩn

Nếu cấu hình M đ c sử d ng, các thành phần kim lo i (ví d nh t , thùng,

k ) c a h thống nội bộ không đ c cách ly từ h thống nối đất, nh ng sẽ đ c kết

h p v i h thống nối đất bằng nhiều điểm liên kết, kết qu là d ng Mm Cấu hình M

đ c a chuộng cho h thống nội bộ m rộng đối v i khu t ơng đối rộng hoặc trên toàn bộ một công trình, nơi có nhiều đ ng dây ch y gi a các phần riêng bi t c a thiết bị, và các dòng đi vào công trình t i một số điểm

Trong các h thống ph c t p, nh ng l i thế c a c hai cấu hình (cấu hình M

và S) có thể kết h p nh minh họa trong hình 2.12, kết qu kết h p 1 (Ss kết h p v i

Mm) hoặc kết h p 2 (Ms kết h p v i Mm)

M ng l i bao bọc ERP Điểm mốc nối đất

Dây d n bao bọc Ss Cấu hình điểm sao đ c t o nên b i điểm sao Thiết bị đi n Mm Cấu hình mắt l i đ c t o nên b i mắt l i ● Điểm bao bọc từ h thống bao bọc Ms Cấu hình mắt l i đ c t o

nên b i điểm sao

Hình 2.12: K t h p các ph ng pháp k t h p các h th ng đi n t

trong h th ng bao b c 2.3.4 Bao b c t i ranh gi i c a LPZ

Nơi mà LPZ đ c xác định, bao bọc đ c cung cấp cho tất c các phần kim

lo i và dịch v (ví d nh ống kim lo i, đ ng dây đi n hoặc đ ng tín hi u) đi vào ranh gi i c a các LPZ

Nơi có thể, dịch v sẽ đi vào ngõ vào LPZ t i cùng một vị trí và có thể đ c kết nối v i cùng một thanh liên kết Nếu các dịch v vào LPZ t i các vị trí khác nhau, mỗi dịch v sẽ đ c liên kết v i một thanh bọc và nh ng thanh bọc này đ c liên kết v i nhau

Liên kết đẳng thế SPD(s) là luôn yêu cầu t i ngõ vào c a LPZ đ c bao bọc

đi t i dây d n, nó đ c liên kết đến h thống nội bộ trong LPZ Sử d ng liên kết hoặc m rộng LPZ có thể làm gi m số l ng các SPD yêu cầu

Cáp bọc hoặc ống d n cáp kim lo i liên kết đ c nối đất t i mỗi ranh gi i LPZ, hay có thể liên kết một vài LPZ thành 1 điểm nối LPZ, hay để m rộng một LPZ đến ranh gi i phù h p

Mặt cắt tối thiểu cho các thành phần bao bọc th c hi n theo B ng 2.2

B ng 2.2: M t c t t i thi u cho các thành phần liên k t

2.4 Cách th c đi dơy

Xung c m ng vào h thống đi n tử có thể gi m xuống b i đ ng đi dây phù

h p (H n chế tối đa di n tích vòng lặp c m ng) hoặc bằng cách sử d ng dây cáp

đ c b o v hoặc các ống d n cáp kim lo i (Gi m thiểu các hi u ng c m ng bên trong), hoặc kết h p c a c hai (Hình 2.13)

Các lo i cáp d n đi n đ c kết nối v i h thống đi n tử nên đ c đi dây gần

v i thành phần kim lo i c a m ng l i liên kết càng tốt Thu n l i cho vi c đi dây cáp vào trong vỏ kim lo i c a m ng l i liên kết, ví d ống d n kim lo i hình ch U

hoặc đ ng ống kim lo i

Hình 2.13a: không b o v h th ng

Hình 2.13b: Gi m t tr ng bên trong đi vƠo LPZ

b ởi không gian che ch n c a nó

Hình 2.13c: Gi m nh h ởng c a tr ng trên đ ng dây theo dây che ch n

Hình 2.13d: Gi m di n tích vòng c m ng bởi đ ng đi dơy phù h p

1: Thiết bị trong vỏ kim lo i; 2: Dây đi n nguồn ; 3: D li u dây; 4: Vòng lặp c m ng; 5: Không gian che chắn bên ngoài; 6: Che chắn kim lo i c a dây

Hình 2.13: Gi m hi u ng c m ng c a đ ng đi dơy vƠ bi n pháp che ch n

CH NG 3:

XÂY D NG MÔ HÌNH MOV VÀ MÔ HÌNH SG

TRONG MATLAB

3.1 Phân vùng b o v

Một trong các thông số quan trọng cần quan tâm khi thiết kế và l a chọn thiết bị

chống sét trên đ ng nguồn và đ ng tín hi u là d ng sóng và biên độ xung sét lan truyền Biên độ xung sét ph thuộc vào vị trí c a công trình, m c độ lộ thiên c a công trình và vị trí t ơng quan c a công trình đối v i các công trình lân c n, m t độ sét t i khu v c cần b o v và cấu trúc c a đ ng dây t i đi n (trên không hay đi ngầm)

D ng xung sét ph thuộc vào cách th c sét c m ng lên đ ng dây t i đi n Xung sét c m ng th ng là d ng sóng 8/20s và xung sét lan truyền do sét đánh

B ng 3.1: Xung sét c c đ i theo vùng b o v và m t đ sét

Ng

(l ần/km 2 /năm) C ấp A C ấp B C ấp C C ấp D C ấp E

3.2 Mô hình SG

3.2.1 Khe phóng đi n (Spark Gap)

Khe phóng đi n đ c cấu t o b i hai b n kim lo i c ng cố định một kho ng cách định tr c Một đi n c c đ c nối v i m ng đi n, còn đi n c c kia

đ c nối v i đất Không khí gi a hai c c sẽ bị ion hóa t i một đi n áp khe h gi a hai đi n c c Hi n t ng không khí bị ion hóa t o ra một tr kháng thấp gi a hai

b n c c

Đi n áp đánh th ng ph thuộc vào độ ẩm c a không khí cho nên khe phóng

đi n đ c sử d ng chính m ng có đi n áp cao mà đó không đòi hỏi độ chính xác cao Khe phóng đi n có vỏ bọc là th y tinh hoặc kim lo i

B i vì không khí bị ion hóa đòi hỏi ph i có th i gian, th c tế đi n áp phóng

đi n c a khe h ph thuộc vào s biến thiên c a đi n áp Chẳng h n một thiết bị

đ c thiết kế v i cấp đi n áp là 120V thì có thể ho t động đi n áp 2200V Khe phóng đi n có kh năng t n sét cao, đến hàng 100kA

Khi có xung sét ch y trên đ ng dây gây nên s chênh l ch đi n áp gi a hai

đi n c c đ l n làm cho khe h phóng đi n ho t động và truyền d n năng l ng

xuống đất

Khe phóng đi n có u điểm v t trội về kh năng t n sét và giá thành Tuy nhiên, nh c điểm chính c a khe phóng đi n là đi n áp ng ng, đi n áp d cao và

th i gian tác động ch m

Để tăng c ng kh năng d p tắt hồ quang, tăng kh năng và tốc độ t hồi

ph c, khe phóng đi n c i tiến có cấu t o hỗn h p gồm khe nối tiếp v i đi n tr phi tuyến và đ c đặt trong vỏ kín Tuy nhiên, do kh năng chịu dòng c a đi n tr phi

tuyến là có h n nên sẽ gi i h n kh năng t n dòng sét biên độ l n, vốn v n là u điểm c a khe phóng đi n so v i các thiết bị chống sét lo i khác

Công ngh ngày nay cho phép chế t o các khe phóng đi n, đ t yêu cầu về năng l ng t n sét và đi n áp d thấp khi hồ quang đ c thành l p Tuy nhiên, chúng cũng còn có hai nh c điểm:

Đi n áp kích ho t cao và gi m không đáng kể khi thay đổi kho ng cách

gi a các đi n c c Giá trị đi n áp kích ho t c a khe phóng đi n, vào kho ng 2500  3500V, sẽ gây ra các vấn đề cho các thiết bị b o v th cấp nằm phía t i Thiết bị b o v th cấp th ng là lo i có đi n áp kẹp

thấp hơn đi n áp phóng đi n c a khe và kh năng t n sét nhỏ Điều này sẽ

gi cho khe phóng đi n không v n hành, thiết bị b o v th cấp nhanh chóng bị phá h y và hầu hết năng l ng sét đi vào toà nhà

Khe phóng đi n có dòng t duy trì cao, mặc dù điều này đư đ c chú ý và từng b c c i thi n trong t ơng lai Dòng t duy trì cao gây cho đi n c c mau h hỏng và làm gi m tuổi thọ c a khe h phóng đi n Trong thiết kế các thông số c a khe phóng đi n đi n áp thấp, vấn đề tuổi thọ c a đi n

c c đ c quan tâm đặc bi t Khe phóng đi n đ c thiết kế để có thể làm

vi c từ 10 đến 30 lần trong một năm

3.2.2 Gi i thi u mô hình

Mô hình hóa khe h phóng đi n đ c thống nhất gồm ba ph ơng pháp:

 Sử d ng công th c và nh ng biểu đồ để cung cấp nh ng tham số tùy thuộc vào từng tr ng h p đặc bi t

 Xem khe h phóng đi n nh là một phần tử hai c c, trong đó đặc tính V-I

đ c cho b i mối t ơng quan v t lý v i một số tham số t do, phù h p để đo

l ng biểu đồ đi n áp và dòng đi n

 Mô hình v t lỦ phóng đi n khí, tái hi n quá trình v t lý c a hi n t ng phóng

đi n khe h một cách chi tiết

Trong th c tế, các ph ơng pháp trên rất khó th c hi n, ph ơng pháp đầu tiên

là một ph ơng pháp không có kh năng kết h p s tác động qua l i gi a nh ng

phần tử khác nhau trong m ch đi n Còn ph ơng pháp mô t v t lý c a quá trình phóng đi n có thể đ c sử d ng cho vi c trình bày s chuyển đổi từ tia sáng đến phát tia lửa đi n, thiết l p b i Marode, nh ng nh thế thì ph ơng pháp l i quá ph c

t p B i vì chúng ta không quan tâm đến nh ng chi tiết v t lý c a s phóng đi n trong trong ống phóng khí, mà chỉ quan tâm đặc tính I ậ V và đáp ng c a h thống

Vì v y ph ơng pháp th hai là ph ơng pháp phù h p nhất cho đáp ng mô hình khe

h phóng đi n trong một m ch b o v

Hai đặc tính chính trong khe h phóng đi n th ng đ c quan tâm thiết l p là:

 S khác nhau về th i gian đ t t i đi n áp đánh th ng th c tế đối v i xung đi n áp quá độ có tốc độ tăng tr ng đầu sóng khác nhau

 Đi n tr c a khe h phóng đi n trong kho ng th i gian khe h bị đánh th ng

Trong m ch b o v quá áp có s phối h p c a các thiết bị b o v , nh ng thông

số cần quan tâm c a khe h phóng đi n là th i gian tr thống kê và đi n tr c a nó trong suốt quá trình chuyển từ tia sáng đến phát tia lửa đi n Thông tin về th i gian

tr này có đ c từ vi c đo l ng bằng một nguồn dòng v i một hằng số tốc độ tăng

tr ng và có thể đ c trình bày d i d ng b ng hoặc bằng công th c nội suy:

đây : td là kho ng th i gian trì hoưn hay th i gian ch m phóng đi n, S là

độ dốc đi n áp, a và b là h số kinh nghi m đối v i từng lo i khe h phóng đi n

Trên lỦ thuyết, khi tiến hành l p mô hình c a khe h phóng đi n, các nhà nghiên c u đều ph i quan tâm đến giá trị đi n tr c a khe h khi x y ra đánh th ng Tất c đ c biểu di n chung bằng công th c sau:

o

m

d i

Trong mỗi tr ng h p có từng gi thiết khác nhau, cần xác định h số kinh nghi m k cho từng tr ng h p trên

3.2.3 Mô hình khe hở phóng đi n không khí Spark gap

Nh đư trình bày các phần trên, vi c mô hình hoá khe h phóng đi n c c

kỳ ph c t p Dù khe h phóng đi n đư đ c sử d ng từ rất lâu vào nh ng năm đầu

c a thế k 20 nh ng đến nay nó v n tiếp t c đ c sử d ng do cấu t o đơn gi n, rẻ tiền và có đi n dung kỦ sinh thấp nhất trong các thiết bị phi tuyến b o v quá áp Phần l n tất c các mô hình c a khe h phóng đi n đều đ c xây d ng trên phần mềm PSPICE và EMTP

V i m c đích xây d ng một mô hình đơn gi n c a khe h phóng đi n không khí có đáp ng đúng v i th c tế và v i độ chính xác vừa ph i d a trên các thông số

đ c cung cấp b i nhà s n xuất (không cần ph i tính toán lặp để xác định thông số) trên phần mềm MATLAB để tham kh o và từ kết qu thu đ c tiến hành mô phỏng đánh giá s phối h p c a các thiết bị b o vẹ quá áp trên đ ng nguồn h áp

3.2.3.1 Mô hình Spark Gap đ n gi n:

Mô hình lấy Ủ t ng từ mô hình khe h phóng đi n c a Larsson, v i một

số hi u chỉnh: đi n tr R1 là đi n tr rò c a khe h đ c nối song song v i khoá đóng cắt K (có giá trị 100M), đi n dung c a khe h C1 do có giá trị rất bé (kho ng 2pF) nên đ c bỏ qua, đi n c m c a dây d n c a khe h L1 kho ng 1nH/mm chỉ có tác d ng gi i h n tăng tr ng c a dòng theo th i gian nên cũng không xem xét đến

Giá trị đi n tr c a khe h khi x y ra quá trình đánh th ng, quá trình này đi n

áp gi m xuống đột ngột và dòng qua khe h bắt đầu gia tăng là quá trình c c ngắn và

có thể bỏ qua Do đó trong mô hình đ c gi i thi u, đi n tr R ph thuộc th i gian

đ c mô hình theo ph ơng trình c a Toepler trong trong khối RC đ c bỏ qua

M ch t ơng đ ơng c a mô hình khe h không khí đ c trình bày trong Hình 3.2

SC R1

P2

Hình 3.2: Mô hình khe hở không khí đ ngh

Đi n áp đánh th ng đ c mô hình trong khối SC (Switch Control) Khi đi n

áp đặt vào khe h (trên khóa đóng cắt K) đ t đến giá trị đi n áp đánh th ng Trong

đó, nh ng h số kinh nghi m đ c thiết l p từ vi c đo l ng, sử d ng một nguồn áp

v i hằng số tỉ l tăng tr ng Khi đi n áp đ t giá trị đi n áp đánh th ng, khóa đóng cắt đóng l i, khe h bị đánh th ng Điều này rất đúng v i ho t động th c tế c a các khe h phóng đi n không khí Khi đi n áp trên 2 c c c a khe h đ t giá trị đi n áp đánh th ng thì không ph i khe h l p t c phóng đi n mà ph i tr i qua một kho ng

th i gian tr , kho ng th i gian tr này còn gọi là th i gian ch m phóng đi n ph thuộc vào độ dốc c a xung quá áp đặt vào

tr ng thái hồ quang bùng cháy, giá trị đi n áp hồ quang khá ổn định Giá trị đi n áp hồ quang điển hình cho hầu hết khe h phóng đi n h áp th ng là 10-25V Trong mô hình đ c đề nghị đi n áp hồ quang đ c thay thế bằng mô hình hồ quang đ c mắc song song v i khóa đóng cắt

Mô hình khe h không khí trên đây là thiết bị hai c c v i đặc tính hai chiều (dòng thu n và dòng ng c đối x ng) Một điều l u Ủ là khóa đóng cắt c a khe h không khí sẽ không thể chuyển sang tr ng thái “off” khi c ng độ dòng đi n gi m xuống d i giá trị c ng độ dòng đi n duy trì (th ng là 100 mA) hay đi n áp s t

d i đi n áp phát sinh hồ quang

Thông số c a mô hình đ c xác định từ số li u trên thiết bị đ c cho b i nhà

s n xuất:

 Đi n áp đánh th ng Vbreak

 Th i gian tr hay th i gian trì hoưn ch m phóng đi n c a khe h td (các thông số mô hình này đ c cung cấp cho các khối trong khối SC)