Nội dung luận văn chinh sua sau khi bao ve

Luận văn dựa trên những kết quả tính toán trên phần mềm mô phỏng như một công cụ để xác định các yêu tố ảnh hưởng đến tính năng bảo vệ của thiết bị chống sét lantruyền trong mạng hạ áp,

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XUNG SÉT LAN TRUYỀN PHÍA HẠ ÁP 9

1.1 THAM SỐ CƠ BẢN CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT 9

1.1.1 Giới thiệu về sét.[8] 9

1.1.2 Tiêu chuẩn quy định về xung sét [12] 9

1.1.2.1 Định nghĩa đối với thí nghiệm bằng xung sét điện áp 9

1.1.2.2 Định nghĩa đối với thí nghiệm bằng xung sét dòng điện 10

1.1.3 Tác động của xung sét đối với hệ thống thiết bị điện trong mạng hạ áp[22] 12

1.1.4 Tần suất xuất hiện sét[30] 12

1.1.5 Hình dáng xung sét[30] 13

1.1.5.1 Dạng xung sét 10/350µs 13

1.1.5.2 Dạng xung sét 8/20µs[30] 14

1.1.6 Biên độ xung sét 14

1.1.7 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu sóng sét lan truyền [22] 15

1.1.7.1 Biên độ và chu kỳ điện áp trên đường nguồn hạ áp 15

1.1.7.2 Tín hiệu xung quá áp và nhiễu trên đường nguồn hạ áp 15

1.1.8 Các dạng tác động của xung sét lan truyền trong mạng hạ áp [30] 16

1.1.8.1 Cú sét đánh trực tiếp vào kim thu sét của công trình 16

1.1.8.2 Cú sét trực tiếp đánh vào hệ thống nguồn mạng điện hạ áp 16

1.1.8.3 Cú sét gián tiếp tiếp đánh vào đất gần vị trí công trình 17

1.1.8.4 Cú sét gián tiếp tiếp đánh vào gần vị trí mạng điện hạ áp gần công trình 17

1.1.8.5 Phóng điện sét giữa các đám mây gây ra xung sét lan truyền trên đường dây cấp nguồn 18

CHƯƠNG 2: CỒN NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ

ÁP 19

2.1 Thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp [30] 19

2.1.1 Thiết bị cắt sét[30] 19

2.1.2 Thiết bị lọc sét [30] 20

2.2 Công nghệ chống sét lan truyền trong mạng hạ áp [5] 20

2.2.1 Công nghệ MOV (Metal Oxide Varistors) 20

2.2.1.1 Kết cấu 21

2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của MOV:[22] 21

2.2.1.3 Phương trình mô tả quan hệ dòng – áp của điện trở phi tuyến của MOV 23

2.2.2 Công nghệ khe phóng điện SG và khe phóng điện tự kích TSG [10] 23

2.2.2.1 Khe phóng điện SG (Spark Gap) 23

2.2.2.1.1 Kết cấu : 23

2.2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của SG[10] 24

2.2.2.2 Khe phóng điện tự kích TSG (Triggered Spark Gap) [10] 25

2.2.2.2.1 Kết cấu của TSG: 25

2.2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của TSG: 26

2.2.3 Công nghệ SAD (Silicon Avalanche Diode) [4] 27

2.2.4 Công nghệ TDS (Transient Discriminating Suppressor) [7] 27

2.3 CÁC TIÊU CHUẨN TRONG BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRONG MẠNG HẠ ÁP [23,24,25] 29

2.3.1 Bảo vệ quá áp do xung sét lan truyền theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE[23] 29 2.3.2.Bảo vệ quá áp do xung sét lan truyền theo tiêu chuẩn IEC 60664-1[24] 30 2.3.3.Bảo vệ quá áp do xung sét lan truyền theo tiêu chuẩn IEC 61643-12[25] 31

2.3.4 Lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp 32

2.3.4 Kết luận về công nghệ bảo vệ chống sét lan truyền trong mạng hạ áp 33

3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 34

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP 35

3.2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT 35

3.2.1.1 Các dạng xung không chu kỳ chuẩn [9] 35

3.2.1.3 Xây dựng mô hình nguồn phát xung[ 12,13] 38

3.2.2.1 Thực hiện mô phỏng nguồn phát xung sét với sumulink 40

3.2.2.1.1 Mô phỏng nguồn phát xung dòng 40

Hình 3.10 Sơ đồ mô phỏng nguồn phát xung dòng 40

3.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ CHỐNG SÉT 43

3.3.1 Mô hình MOV của Matlab 43

3.3.2 Mô hình MOV hạ thế 45

3.3.3.Cấu trúc cơ bản của mô hình MOV hạ thế 45

3.3.4 Mô hình điện trở phi tuyến của MOV trên Matlab 46

3.3.5 Mô hình MOV hạ thế hoàn chỉnh trên Matlab 48

3.3.6 Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với xung dòng 8/20µs 50

3.3.7 Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV hãng Siemen với xung dòng chuẩn 8/20µs 50

3.3.8 Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV hãng AVX với xung dòng chuẩn 8/20µs 53

3.3.9 Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV hãng Litlefuse với xung dòng chuẩn 8/20µs 55

3.4 Mô hình khe hở phóng điện không khí Spark Gap 58

3.4.1.Mô hình Spark Gap của Larsson 58

3.4.2 Nguyên lý hoạt động của mô hình 59

3.4.3 Xây dựng sơ đồ khối mô hình Spark Gap bằng Matlab 59

3.4.3.1 Xây dựng sơ đồ khối đóng cắt bằng Matlab 59

3.4.4 Mô phỏng mô hình Spark Gap 62

3.4.5 Mô phỏng mô hình Spark Gap với nguồn áp 63

3.4.7 Mô hình khe hở phóng điện tự kích Triggered Spark Gap TSG 67

3.4.7.1 Mô hình Triggered Spark Gap 67

3.2.2.3.2 Mô phỏng mô hình Triggered Spark Gap 69

3.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH BẢO VỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP 73

3.5.1 Giới thiệu mô hình 73

3.5.1.1 TBBV sử dụng công nghệ MOV 74

3.5.1.2 TBBV sử dụng công nghệ SG 76

3.5.2 So sánh hiệu quả bảo vệ của công nghệ SG, TSG, MOV 80

3.6 PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP TRONG MẠNG HẠ ÁP 84

3.6.1.Phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng 84

3.6.1.1 Phương án 1 : TBBV tầng 1 sử dụng công nghệ TSG, TBBV tầng 2 sử dụng công nghệ MOV 84

3.6.1.2 Phương án 2 (TBBV tầng 1 sử dụng SG, tầng 2 sử dụng MOV) 87

3.6.1.3 Phương án 3 TBBV tầng 1 sử dụng MOV1, tầng 2 sử dụng MOV2 .88

3.6.2 Phối hợp bảo vệ quá áp 3 tầng 93

3.6.2.1 Phương án 1: phối hợp bảo vệ 3 tầng (TSG1-MOV2-MOV3) 94

3.6.2.2 Phương án 2: Phối hợp bảo vệ 3 tầng (SG1-MOV2-MOV3) 97

3.6.3 Phối hợp TBBV và thiết bị lọc sét chống sét lan truyền trong mạng hạ áp 101

3.6.3.1 Phương án 1: Bảo vệ một tầng + thiết bị lọc sét 101

3.6.3.2 Phương án 2: Phối hợp bảo vệ hai tầng kết hợp thiết bị lọc sét 104

3.6.3.3 Nhận xét 107

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

4.1 Ảnh hưởng của công nghệ chống sét 108

4.2 Ảnh hưởng của sự phối hợp bảo vệ của các thiết bị chống quá áp 108

4.3 Ảnh hưởng của thiết bị lọc sét 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

a Lý do chọn đề tài

Việt Nam là nước nằm trong khu vực nhiệt đới, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi choviệc phát sinh dông sét, số ngày dông cực đại là 113 ngày/ năm, số giờ giông cựcđại là 433 giờ/năm, cường độ sét mạnh nhất ghi nhận được bằng dao động ký là90.57kA

Hiện nay công nghệ chống sét trực tiếp mang hiệu quả tương đối, tuy nhiên theothống kê hơn 70% hư hỏng do sét gây ra là do sét đánh lan truyền cảm ứng theođường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu Việc chống sét lan truyền chưa đượcquan tâm đầy đủ nên giá trị thiệt hại gây ra rất lớn, vì vậy việc đưa ra các giải pháp

và cung cấp các thiết bị chống sét lan truyền theo công nghệ mới là cấp bách và cầnthiết

Hiện nay Việt Nam chưa có mô hình thử nghiệm hoàn chỉnh do đó cần phải dựa vàophần mềm mô phỏng để đánh giá các phần tử của thiết bị chống sét thay cho các môhình cụ thể

Luận văn dựa trên những kết quả tính toán trên phần mềm mô phỏng như một công

cụ để xác định các yêu tố ảnh hưởng đến tính năng bảo vệ của thiết bị chống sét lantruyền trong mạng hạ áp, từ đó lập phương án lựa chọn thiết bị, vị trí lắp đặt thiết bị,phối hợp các thiết bị để mang lại hiệu quả chống sét lan truyền trong mạng hạ ápmột cách tối ưu

b Mục đích nghiên cứu:

- Tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả chống sét lan truyền trên đườngdây hạ áp.

- Lựa chọn vị trí đặt thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp để nângcao độ tin cậy cho thiết bị cần bảo vệ

c Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu tiêu chuẩn chống sét lan truyền và mô hình nguồn xung sét

- Nghiên cứu các thiết bị chống sét lan truyền trong mạng trung áp và hạ áptheo công nghệ MOV, SG, TSG để áp dụng cho phương án chống sét lantruyền trong mạng hạ áp

- Lập mô hình chuẩn trong lựa chọn, phối hợp các thiết bị bảo vệ chống quá áptheo từng trường hợp cụ thể

d Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

.1 Đối tượng nghiên cứu:

-Tiêu chuẩn chống sét lan truyền và mô hình nguồn xung sét

- Thiết bị chống sét lan truyền trung áp,hạ áp có trên thị trường

e Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập, chọn lọc tài liệu liên quan

- Khảo sát ứng dụng phần mềm hỗ trợ mô phỏng dự kiến

- Khảo sát tính năng thiết bị chống sét lan truyền theo công nghệ MOV, SG,TSG

- Đánh giá, kết luận các yêu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thiết bị chống sét lantruyền trong mạng hạ áp

f Dự kiến đóng góp mới.

- Xây dựng mô hình chống sét lan truyền trong mạng hạ áp theo yêu cầu phụtải cần được bảo vệ

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ XUNG SÉT LAN TRUYỀN

a Giai đoạn phóng tia tiên đạo

b Giai đoạn tia tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

c Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu

d Giai đoạn phóng điện chủ yếu kết thúc

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét

1.1.2 Tiêu chuẩn quy định về xung sét [12]

1.1.2.1 Định nghĩa đối với thí nghiệm bằng xung sét điện áp.

Theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-5 Thời gian đạt đỉnh sóng tđs của một xung sét điện

áp là một thông số giả định, được xác định bằng 1.67 lần khoảng thời gian T giữacác thời điểm xung là 30% và 90% của giá trị đỉnh hình 1.2

Thời gian đạt ½ đỉnh sóng ts của một xung sét là một thông số giả định được xácđịnh bằng 1.67 lần khoảng thời gian T giữa điểm gốc giả định O1 và thời điểm khiđiện áp xung sét đã giảm đến nửa giá trị đỉnh

Điểm gốc giả định O1 là giao điểm của đường thẳng được vẽ qua các điểm chuẩn30% và 90% trên đầu sóng với trục thời gian

Xung sét tiêu chuẩn là một xung sét toàn sóng có thời gian đầu sóng t1 và thời giannửa sóng t2 xung như vật gọi là xung t1/t2 Ví dụ xung sét có t1= 1.2µs, t2 = 50 µsđược gọi là xung sét 1,2/50 µs, t1= 10µs, t2 = 700 µs được gọi là xung sét 10/700µs

Sai số:

Thời gian đầu sóng: sai số 30%

Thời gian nửa giá trị sóng: sai số 20%

Giá trị đỉnh: sao số 3%

Hình 1.2 Dạng xung sét điện áp tiêu chuẩn1,2/50 µs

1.1.2.2 Định nghĩa đối với thí nghiệm bằng xung sét dòng điện.

Thời gian đạt đỉnh sóng tđs của dòng điện xung sét dòng điện là một thông số giảđịnh được xác định bằng 1.25 lần khoảng thời gian T giữa các thời điểm xung là10% và 90% của giá trị đỉnh hình 1.3

Thời gian đạt ½ đỉnh sóng ts của một xung sét là một thông số giả định được xácđịnh bằng khoảng thời gian T giữa điểm gốc giả định O1 và thời điểm khi dòng điệnxung sét đã giảm đến nửa giá trị đỉnh

Điểm gốc giả định O1 là giao điểm của đường thẳng được vẽ qua các điểm chuẩn10% và 90% trên đầu sóng với trục thời gian

Xung sét tiêu chuẩn là một xung sét toàn sóng có thời gian đầu sóng t1 và thời giannửa sóng t2 xung như vật gọi là xung t1/t2 Ví dụ dòng xung sét có t1= 8µs, t2 = 20

µs được gọi là dòng xung sét 8/20 µs

Sai số:

Thời gian đầu sóng: sai số 10%

Thời gian nửa giá trị sóng: sai số 10%

Giá trị đỉnh: sao số 10%

Hình 1.3 Dạng dòng điện xung sét tiêu chuẩn.

1.1.3 Tác động của xung sét đối với hệ thống thiết bị điện trong mạng hạ áp[22]

Qua khảo sát gần đây có đến 30% xuất hiện sóng quá điện áp có dạng sóng xung dosét còn lại 70% do các thao tác đóng cắt có tải trên lưới Sóng quá điện áp có khảnăng gây hư hỏng các thiết bị điện trong mạng hạ áp, mạng máy tính, các thiết bịtrong mạng viễn thông hình 1.4

Hình 1.4 Biên độ và hình dáng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp.

Trong đó :

Cấp điện áp từ 400V đến 600V: Mức điện áp an toàn

Cấp điện áp từ 600V đến 900V : Mức điện áp sai lệch

Cấp điện áp trên 900V: Mức điện áp phá hỏng thiết bị

1.1.4 Tần suất xuất hiện sét[30]

Theo khảo sát gần đây tần suất xuất hiện sét và biên độ xung sét được trình bày ởHình 1.5

Hình 1.5 Tần suất xuất hiện sét theo biên độ xung sét

Hình 1.6 Tác động và hình dáng xung sét 10/350µs.

1.1.5.2 Dạng xung sét 8/20µs[30]

Dạng sóng xung sét 8/20µs thường là xung sét cảm ứng do sét đánh vào đường dâytrên không cách công trình một khoảng cách xa hoặc do sét đánh vào một vật gầnđường dây trên không hoặc do sự gia tăng điện thế đất do sét đánh vào vị trí gầncông trình như hình 1.7

Hình 1.7 Tác động xung sét 8/20µs và dạng sóng

1.1.6 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, đặt biệt mật độ sét tại khu vực cần bảo vệ và cấu trúc của đường dây tảiđiện trên không hay đi ngầm.

1.1.7 Cơ sở lý thuyết nghiên cứu sóng sét lan truyền [22]

1.1.7.1 Biên độ và chu kỳ điện áp trên đường nguồn hạ áp

Hình 1.8 Biên độ và thời gian tồn tại của điện áp trên đường nguồn hạ áp

Điện áp suy giảm đến 180 V, và đột biến quá áp đến 240V trong mạng hạ áp tồn tạitrong thời gian nhỏ hơn 2 giây

Quá điện áp đến 240Vvà sụt áp trong mạng hạ áp tồn tại trong thời gian lớn hơn 2giây

1.1.7.2 Tín hiệu xung quá áp và nhiễu trên đường nguồn hạ áp

Hình 1.9 Xung đột biến, sóng hài và nhiễu trên đường nguồn hạ áp

Biên độ xung đột biến Av có giá trị lớn hơn biên độ trung bình nguồn hạ áp AChu kỳ xung đột biến nhỏ T hơn rất nhiều so với chu kỳ nguồn cung cấp τ

1.1.8 Các dạng tác động của xung sét lan truyền trong mạng hạ áp [30]

1.1.8.1 Cú sét đánh trực tiếp vào kim thu sét của công trình.

Hình 1.10 Cú sét đánh trực tiếp vào kim thu sét của công trình

1.1.8.2 Cú sét trực tiếp đánh vào hệ thống nguồn mạng điện hạ áp.

Hình 1.11 Cú sét trực tiếp đánh vào hệ thống nguồn mạng điện hạ áp

1.1.8.3 Cú sét gián tiếp tiếp đánh vào đất gần vị trí công trình.

Hình 1.12 Cú sét gián tiếp tiếp đánh vào đất gần vị trí công trình.

1.1.8.4 Cú sét gián tiếp tiếp đánh vào gần vị trí mạng điện hạ áp gần công trình.

Hình 1.13 Cú sét gián tiếp tiếp đánh vào gần vị trí mạng điện hạ áp gần công trình

1.1.8.5 Phóng điện sét giữa các đám mây gây ra xung sét lan truyền trên đường dây cấp nguồn

Hình 1.14.Phóng điện sét giữa các đám mây gây ra hiệu ứng xung sét lan truyền

Chương 2: CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN

TRONG MẠNG HẠ ÁP2.1 Thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp [30]

Thiết bị chống sét trên đường dây điện hạ áp bao gồm thiết bị cắt sét và thiết bị lọcsét Hệ thống thiết bị này sử dụng để lắp đặt vào đường dây điện nguồn hạ áp nhằmbảo vệ chống lại các xung đột biến xuất hiện trên lưới điện hạ áp, để bảo vệ chođường dây và thiết bị điện tử được cấp nguồn từ đường điện hạ áp

Có 2 quan điểm về thiết bị chống sét trên đường điện hạ áp là:

- Thiết bị chống sét trên đường điện hạ áp là các thiết bị cắt sét và được chia thànhcác lớp (class) hoặc các loại (type) khác nhau từ 1 đến 3 hoặc A, B, C Các nhà sảnxuất điển hình theo quan điểm này là các công ty: Dehn, Phoenix Contact, LERDN

- Thiết bị chống sét trên đường điện hạ áp được phân ra thành thiết bị bảo vệ sơ cấp

là thiết bị cắt sét và thiết bị bảo vệ thứ cấp là thiết bị cắt lọc sét Các nhà sản xuấtđiển hình theo quan điểm này là: ERICO, Precision Power, Lightning ProtectionInternational (LPI) v.v

Hình 2.1 :Vị trí lắp đặt và nguyên lý làm việc của thiết bị cắt sét

2.1.2 Thiết bị lọc sét [30]

Thiết bị lọc sét được mắc nối tiếp với tải, hoạt động của thiết bị lọc sét là giảm điện

áp dư sau khi đã qua thiết bị cắt sét đảm bảo biên độ điện áp qua thiết bị luôn nằmtrong giới hạn cho phép (230V) và giảm khoảng 1000 lần tốc độ tăng áp, tăng dòngcủa sét vào thiết bị Thiết bị lọc sét còn hiệu chỉnh tốc độ biến thiên dòng điện vàbiến thiên điện áp của các dạng quá áp ở mức chấp nhận được Mạch điện ứng dụng

cơ bản nhất là mạch lọc L-C

Hình 2.2 Vị trí lắp đặt và nguyên lý làm việc của tổ hợp thiết bị cắt sét và

lọc sét

2.2 Công nghệ chống sét lan truyền trong mạng hạ áp [5]

2.2.1 Công nghệ MOV (Metal Oxide Varistors)

2.2.1.1 Kết cấu

Công nghệ MOV mà thành phần chính là oxide lim loại (Metal Oxide Varistor)MOV đã được sử dụng từ lâu để bảo vệ thiết bị trên hệ thống điện nhằm tránh quá

áp bên trong và bên ngoài

Thành phần chính của MOV là ZnO chiếm 90% hoặc hơn nữa, còn lại là các ôxítkim loại khác Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol-%ZnO, 1mol-% Sb2O3,0,5mol-% mỗi Bi2O3,CoO, MnO, và Cr2O3 Hình 2.3 là hình ảnh của MOV hạ áp

Hình 2.3: MOV hạ áp

2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của MOV:[22]

MOV hoạt động theo nguyên tắc biên độ, tức là phản ứng với tất cả các xung quá áp

có biên độ vượt quá ngưỡng điện áp tác động (Thường là 270VRMS )

Với đặt tính đối xứng, đặt tính vùng điện áp đánh thủng rất dốc cho phép MOV cótính năng khử xung quá độ đột biến hoàn hảo, trong điều kiện bình thường biến trở

là thành phần có trở kháng cao gần như hở mạch Khi xuất hiện xung đột biến quá

áp cao, MOV sẽ nhanh chóng trở thành đường dẫn, trở kháng thấp để triệt xung độtbiến Hình 2.3 mô tả đặt tuyến Vôn- ampe của một MOV điển hình (V130LA20A)

Hình 2.4 Đặc tuyến Vôn – Ampe của MOV loại V130LA20A, Siemen.

Nhận xét :

Đặt tuyến của MOV được chia làm 3 đoạn

Đoạn tuyến tính R = 109 Ω tương ứng với MOV trạng thái khóa

Đoạn tuyến tính R = 1Ω đến 10 Ω tương ứng với MOV trạng thái dẫnĐoạn phi tuyến R là một tham số phụ thuộc vào phương trình hàm mũI= k.Vα Trong đó dòng điện qua MOV phụ thuộc vào điện áp đặt lên MOV Từ đó

người ta xây dựng được sơ đồ tương đương của MOV V130LA20A như hình 2.5

Hình 2.5 : Sơ đồ thay thế của MOV hạ thế điển hình V130LA20A

Để phân biệt trạng thái khóa và trạng mở của MOV người ta điều chỉnh các thông

số trong mạch điện của sơ đồ thay thế bằng 2 sơ đồ trạng thái như hình 2.6a và hình2.6b

Trạng thái khóa của MOV Trạng thái làm việc của MOV

Hình 2.6a : Trạng thái khóa của MOV Hình 2.6b : Trạng thái làm việc của

MOV

2.2.1.3 Phương trình mô tả quan hệ dòng – áp của điện trở phi tuyến của MOV

Trong đó các hệ số k, α, B1, B2, B3, B4 phụ thuộc vào từng loại MOV

2.2.2 Công nghệ khe phóng điện SG và khe phóng điện tự kích TSG [10]

2.2.2.1 Khe phóng điện SG (Spark Gap)

2.2.2.1.1 Kết cấu :

Khe phóng điện SG được mô tả và kí hiệu như hình 2.7

Hình 2.7 Khe phóng điện SG

Khe phóng điện được cấu tạo bởi hai bản kim loại cứng cố định ở một khoảng cáchnhất định trước Một điện cực được nối với mạng điện, còn điện cực kia được nốivới đất

Không khí giữa hai cực sẽ bị ion hóa tại một điện áp khe hở giữa hai điện cực Hiệntượng 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 điệnđược sử dụng chính ở mạng điện có điện áp cao mà ở đó không đòi hỏi độ chínhxác cao

Khe phóng điện có vỏ bọc là thủy tinh hoặc kim loại, bởi vì không khí bị ion hóađòi hỏi phải có thời gian Thực tế điện áp phóng điện của khe hở phụ thuộc vào sựbiến thiên của điện áp ngoài Khe phóng điện có khả năng tản sét cao, có thể đạtđến hàng 100kA

2.2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của SG[10]

Khi có xung sét chạy trên đường dây gây nên sự chênh lệch điện áp giữa hai điệncực đủ lớn làm cho khe hở phóng điện hoạt động và truyền dẫn năng lượng xuốngđất

Khe phóng điện có ưu điểm vượt trội về khả năng tản sét và giá thành

Nhược điểm chính của khe phóng điện là điện áp ngưỡng, điện áp dư cao và thờigian tác động chậm Để tăng cường khả năng dập tắt hồ quang và tốc độ tự hồiphục, khe phóng điện cải tiến có cấu tạo hỗn hợp gồm khe nối tiếp với điện trở phituyến và được đặt trong vỏ kín Tuy nhiên, do khả năng chịu dòng của điện trở phituyến là có hạn nên sẽ giới hạn khả năng tản dòng sét biên độ lớn, vốn vẫn là ưuđiểm của khe phóng điện so với các thiết bị chống sét loại khác

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

- Điện áp kích hoạt cao và giảm không đáng kể khi thay đổi khoảng cách giữa cácđiện cực.Giá trị điện áp kích hoạt của khe phóng điện vào khoảng 2500V đến3500V, sẽ gây ra các vấn đề cho các thiết bị bảo vệ thứ cấp nằm ở phía tải Thiết bịbảo 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, gây cho điện cực mau hư hỏng và làmgiảm tuổi thọ của khe hở phóng điện Trong thiết kế, các thông số của khe phóngđiện điện áp thấp, vấn đề điện cực được đặc biệt.quan tâm

- Khe phóng điện được thiết kế để có thể làm việc từ 10 đến 30 lần trong một năm

2.2.2.2 Khe phóng điện tự kích TSG (Triggered Spark Gap) [10]

Bộ phận dòng có cấu tạo gồm các phiếm sắp lớp tạo thành các khe.

2.2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của TSG:

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 kíchhoạt phóng điện chính bằng cách tạo ra phóng điện mồi khi cảm nhận xung quá ápngang qua mạch kích vượt quá 500V Phóng điện mồi sẽ phát triển thành phóngđiện chính giữa hai sừng phóng điện và xung quá áp bị kẹp bởi phóng điện hồquang

Với cấu tạo như trên TSG các tính năng vượt trội so với SG như sau:

Cung cấp điện áp dư ở mức thấp gần với các sản phẩm cắt sét có cấu tạo trên cơ sởcủa 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 vàdòng 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 xungđột biến, bao gồm cả các xung do đóng cắt mạch

Với những tính năng trên công nghệ TSG được sử dụng rất phổ biến trong chống sétlan truyền trong mạng hạ áp, hình 2.9 mô tả sơ đồ nguyên lý của một thiết bị tổ hợpcắt sét và lọc sét theo công nghệ TSG trong mạng hạ áp 3 pha

Hình 2.9 - Sơ đồ cấu tạo thiết bị cắt sét, lọc sét TSG-SRF 3 pha của ERICO

2.2.3 Công nghệ SAD (Silicon Avalanche Diode) [4]

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) hình 2.10 mô tả hình dáng Silicon AvalancheDiode

Hình 2.10 Avalanche Diode sử dụng cho công nghệ SAD

Để nâng cao khả năng tản sét và điện áp chịu đựng, các nhà chế tạo phải ghép tổhợp nhiều diode song song và nối tiếp, do đó giá thành rất cao Thông thường cácthiết bị chống sét theo công nghệ SAD chỉ sử dụng để bảo vệ cho các thiết bị đặtsâu trong nhà, các thiết bị trên đường truyền tín hiệu có công suất nhỏ và không thểdùng làm bảo vệ chính trong hệ thống điện

2.2.4 Công nghệ TDS (Transient Discriminating Suppressor) [7]

Khác với các thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn, được sản xuất vớicông 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 tắctần số, và thực hiện đúng chức năng chống sét được giao phó, chỉ phản ứng khi xuấthiện 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 nàycho phép thiết bị chống sét theo công nghệ tiên tiến TDS có ưu điểm vượt trội nhưsau:

 Thông minh phân biệt sét vàcác quá áp do các nguyênnhân khác

 Khả năng chịu quá áp tạmthời cao, tuổi thọ cao

 Thời gian đáp ứng nhanh(<1ns)

 Cung cấp bảo vệ hiệu quả,ngay trong mạng có chấtlượng điện áp thấp

 Không đòi hỏi các điều kiệnlắp đặt và vận hành nghiêmngặt như thiết bị chế tạo theocông nghệ truyền thốngMOV

Để đạt được hiệu quả và tính năng bảo vệ vượt trội, thiết bị TDS sử dụng công nghệtổng hợp bao gồm cả ba công nghệ SAD, Gas Aresster và MOV Sơ đồ nguyên lýcủa thiết bị TDS trình bày như hình 2.11

Công tắc tác động nhanh hoạt động theo nguyên tắc tần số Công tắc này sẽ tácđộng 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 độdốc 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 dãyMOV vào mạch và tản hầu hết năng lượng sét xuống đất

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị chống sét lan truyền theo công nghệ TDS

2.3 CÁC TIÊU CHUẨN TRONG BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRONG MẠNG HẠ

ÁP [23,24,25]

Ngày nay 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 củacác thiết bị chống sét có liên quan đến xung sét trong những vùng khác nhau tùytheo vào loại cấp vị trí của thiết bị

Hiện nay có nhiều tổ chức tiêu chuẩn hóa liên qua đến điện, Điện tử, Viễn thôngnghiên cứu soạn thảo các tiêu chuẩn về thiết bị chống sét trên đường điện hạ áp nhưITU, IEC, UL, ANSI, IEEE

Tại khu vực Châu Á Thái bình Dương thường áp dụng theo 2 tiêu chuẩn

ANSI/IEEEC62.41 và IEC60664-1 trong tính toán, lắp đặt hệ thống chống sét lan

truyền trong mạng hạ áp

2.3.1 Bảo vệ quá áp do xung sét lan truyền theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE[23]

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

 Cấp C là vị trí của bên ngoài

và đường nguồn hạ áp cấpđiện cho tòa nhà

 Cấp B là cấp vị trí của đường

dây cáp ngầm và mạch điệnnhánh ngắn.

 Cấp A là cấp vị trí lối ra vàmạch điện nhánh dài, dài hơn10m so với cấp B hoặc dàihơn 20m so với cấp C

Hình 2.12 Các cấp độ bảo vệ quá áp dựa vào khu vực cần bảo vệ của

thiết bị điện theo tiêu chuẩn IEEE C62.41

Theo ANSI/IEEE C62.41 tiêu chuẩn Mỹ chia cấp bảo vệ thành 5 hạng mục A, b, C

D, E, cần bảo vệ như hình 2.13

Hình 2.13 Các cấp độ bảo vệ quá áp dựa vào khu vực cần bảo vệ của thiết bị điện

theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE C62.41

2.3.2.Bảo vệ quá áp do xung sét lan truyền theo tiêu chuẩn IEC 60664-1[24]

Theo IEC 60664-1, có bốn mức quá độ điện áp được định nghĩa dựa trên vị trí lắpđặt thiết bị điện

Quá điện áp loại IV dành cho thiết bị sử dụng ở ngõ vào tòa nhà (đường nguồn hạáp) 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 độtin cậy và tính sẵn sàng của thiết bị phụ thuộc vào những yêu cầu đặc biệt như cáccông tắc ở tủ điện chính.Thiết bị này chịu được điện áp <4000V

tử Thiết bị nhạy cảm này chỉ chịu được điện áp <1500V

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

Hình 2.14 Các cấp độ bảo vệ quá áp dựa vào khả năng chịu quá áp của thiết bị

theo tiêu chuẩn IEC 60664-1

2.3.3.Bảo vệ quá áp do xung sét lan truyền theo tiêu chuẩn IEC 61643-12[25]

Tiêu chuẩn IEC 61643-12 chia cấp quá điện áp thiết bị sử dụng điện theo tính năng

sử dụng và kết cấu thiết bị như sau:

Đối với động cơ điện và các thiết bị điện từ: cấp bảo vệ điện áp đỉnh từ 1,8kV đến2,5kV

Đối với các thiết bị điện tử, vi mạch điện tử thông dụng: cấp bảo vệ điện áp đỉnh từ1,5kV đến 1,8kV

Đối với các thiết bị điện tử lập trình : cấp bảo vệ điện áp đỉnh từ 1kV đến 1,5KVĐối với các thiết bị điện tử lập trình công nghệ cao: cấp bảo vệ điện áp đỉnh từ0,5kV đến 1KV Hình 2.15 mô tả cấp bảo vệ thiết bị theo tính năng sử dụng và kếtcấu thiết bị điện theo tiêu chuẩn IEC 61643-12

Hình 2.15 Cấp bảo vệ thiết bị theo tính năng sử dụng và kết cấu thiết bị điện theo

tiêu chuẩn IEC 61643-12

2.3.4 Lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp.

Đối với mạng điện hạ áp 1 pha và 3 pha, tùy theo kiểu nối đất bảo vệ thiết bị bảo vệquá áp do xung sét lan truyền trong mạng điện hạ áp được lắp đặt theo các trườnghợp sau:

Hình 2.16 Cách lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế dùng cho mạng điện1 pha

Hình 2.17 Cách lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế dùng cho mạng điện 3 pha

2.3.4 Kết luận về công nghệ bảo vệ chống sét lan truyền trong mạng hạ áp

Để bảo vệ quá áp cho các thiết bị dùng điện trong nhà xưởng mạng điện hạ áp người

ta thực hiện lắp đặt các thiết bị chống sét theo các mạng khác nhau nhằm bảo vệmột cách có hiệu quả các thiết bị dùng điện cụ thể như sau:

- Số lượng thiết bị cần bảo vệ, loại thiết bị bảo vệ quá áp, cách bố trí lắpđặt, tiêu chuẩn lắp đặt sao cho phù hợp với yêu cầu bảo vệ

 Lắp đặt thiết bị bảo vệ saocho giới hạn quá áp phù hợpvới mức cách điện xung củathiết bị được bảo vệ

 Khả năng chịu dòng ngắnmạch 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 bịbảo vệ và thiết bị được bảovệ

Chương 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM

Matlab là môi trường tính toán kỹ thuật bằng máy tính Matlab tập hợp các phéptính phân tích số học, tính toán ma trận, xử lý tín hiệu và đồ họa trong môi trường

dễ sử dụng trong đó các vấn đề và giải thuật được diễn tả bằng các biểu thức toánhọc mà không cần phài lập trình phức tạp như các ngôn ngữ khác Thuật ngữMatlab có được do ghép hai từ Maxtric và Laboratory

Matlab biến các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số rồi tập hợp thành tập tin dữ liệuthông qua các hàm toán học trong Matlab

Matlab được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím, cho phép khả nănglập trình với cú pháp thông dịch lệnh Các bộ lệnh trong Matlab ngày càng được mởrộng những công cụ ứng dụng trong một số lĩnh vực gọi là các hợp công cụ(Toolbox) hay thông qua các hàm do người xử dụng tự xây dựng Matlab có hơn 25hộp công cụ để trợ giúp cho việc khảo sát các vấn đề liên quan.Trong đó 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 thờigian liên tục hoặc gián đoạn Giao diện trong matlab cho phép thể hiện hệ thốngdưới dạng sơ đồ tín hiệu và các khối chức năng được dựng sẵn

Hộp công cụ Simulink là phần mở rộng của phần mềm được sử dụng dùng môphỏng các hệ thống động học một cách nhanh chóng và tiện lợi Matlab cho phép

xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ họa đơn giản, thuận tiện và chính xác trong không gian2D, 3D bởi các thư viện chuẩn, hàm chuẩn có sẵn hoạc do người sử dụng tạo ra

Hình 3.1 Thư viện Simulik trong chương trình Matlab

3.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP

3.2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT

3.2.1.1 Các dạng xung không chu kỳ chuẩn [9]

Phương trình mô tả của xung dòng điện hoặc điện áp không chu kỳ chuẩn chuẩn códạng :

 Biểu diễn xung sét theo

Dạng sóng của các xung này được trình bày trong hình 3.2

Hình 3.2 Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn

Thực hiện phân tích xung dòng điện gồm hai thành phần Ieat

và Iebt

Hình 3.3 Phân tích dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần

Giá trị của I, a, b từ biểu thức trên được xác định đối với từng dạng xung dòngchuẩn theo các giá trị liên quan : giá trị đỉnh I1 của xung dòng, thời gian đạt đỉnh t1,thời gian đạt ½ giá trị đỉnht2 được thể hiện các đường cong chuẩn như sau :

Hình 3.4 Đường cong xác định tỉ số b/a theo t 2 /t 1

Hình 3.5 Đường cong xác định tỉ số at 1 theo b/a

Hình 3.6 Đường cong xác định tỉ số at 1 theo b/a

3.2.1.3 Xây dựng mô hình nguồn phát xung[ 12,13]

Xây dựng mô hình toán nguồn phát xung trên Matlab dựa vào các phương trình sau: