Nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng hệ thống bảo vệ quá điện áp trên đường nguồn hạ áp

Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

HỆ THỐNG BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP

TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP

Chuyên ngành : MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN Mã số ngành : 2.06.07

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồø Chí Minh, tháng 12 năm 2005

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: T.S QUYỀN HUY ÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 1:………

Cán bộ chấm nhận xét 2:………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày………tháng………năm 2005

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu cấu tạo và xây dựng mô hình thiết bị khe hở phóng điện SG (Spark Gap) đơn giản

2 Nghiên cứu cấu tạo và xây dựng mô hình thiết bị biến trở oxide kim loại MOV (Metal Oxide Varistor)

3 Xây dựng mô hình một số nguồn xung dòng và áp không chu kỳ tiêu chuẩn

4 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống bảo vệ quá áp đa cấp trên đường nguồn hạ áp của các công trình công nghiệp

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07 - 07 - 2005

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07 - 12 - 2005

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: T.S QUYỀN HUY ÁNH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

T.S QUYỀN HUY ÁNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

MỤC LỤC

Chương mở đầu 1

I Đặt vấn đề 1

II Nhiệm vụ của luận án 2

III Phạm vi nghiên cứu 2

IV Các bước tiến hành 3

V Điểm mới của luận án 3

VI Giá trị thực tiễn của đề tài 3

VII Nội dung luận án 4

Chương 1 Tổng quan về các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp 5

I Giới thiệu 5

II Hiện tượng quá độ 6

III Tỷ lệ xuất hiện của hiện tượng quá độ 7

IV Hiện tượng quá độ tiêu biểu 8

V Bảo vệ quá độ 9

VI Các thiết bị bảo vệ quá áp 10

1 Bộ lọc 10

2 Máy biến áp cách ly 11

3 Khe hở phóng điện 11

4 Diod thác Silic 12

5 Biến trở oxid kim loại (MOV) 13

VII So sánh các thiết bị bảo vệ quá áp phổ biến 14

VIII Lựa chọn các thiết bị bảo vệ quá áp 15

IV Trạng thái đáp ứng 22

V Vật lý phóng điện trong chất khí của khe hở phóng điện 22

1 Một số dạng phóng điện trong chất khí 22

2 Lý thuyết Ion hoá va chạm 23

3 Thác điện tử 24

4 Phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí trong điện trường đồng nhất 26

5 Phóng điện trong chất khí khi điện áp tác dụng có dạng xung 27

VI Kết luận 30

Chương 3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến trở oxide kim loại (MOV) 31

I Cấu tạo cơ bản 31

1 Giới thiệu 31

2 Cấu trúc vi mô 32

II Tính năng hoạt động của biến trở oxide kim loại MOV 35

III Đặc tính V-I 38

IV Sơ đồ tương đương 40

1 Trong vùng dòng điện rò thấp < 10-4A 41

2 Trong vùng hoạt động bình thường ( 10-5 –103 A) 41

3 Trong vùng dòng điện cao (>103A) 42

V Thời gian đáp ứng 42

1 Năng lượng cho phép 44

2 Công suất tiêu tán trung bình 45

VII Ảnh hưởng của nhiệt độ 46

VIII Các đặc tính của MOV và các hư hỏng thường gặp khi quá áp xảy ra 47

Chương 4 Xây dựng mô hình khe hở phóng điện (Spark Gap) 49

I Tổng quan 50

II Một số phương pháp tính toán và xây dựng mô hình 50

III Các mô hình khe hở phóng điện 53

1 Các phương pháp đầu tiên 53

2 Quá trình nghiên cứu phát triển mô hình khe hở phóng điện .54

IV Xây dựng mô hình đơn giản của khe hở phóng điện không khí 62

1 Mô hình đề nghị 62

2 Xây dựng mô hình trong MatLab 63

V Xây dựng mô hình nguồn phát xung 72

1 Các dạng xung không chu kỳ chuẩn và phương trình toán của chúng 72

2 Xây dựng mô hình nguồn phát xung 75

VI Thực thi mô hình 80

VII Kết luận 85

Chương 5 Xây dựng mô hình biến trở oxide kim loại (MOV) 87

I Các mô hình MOV đã được nghiên cứu 87

1 Mô hình điện trở phi tuyến 87

2 Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến 88

3 Mô hình MOV của Schmidt 91

4 Mô hình MOV của IEEE 92

5 Mô hình MOV của Mardira 96

6 Nhận xét 98

Chương 6 Khảo sát hệ thống bảo vệ quá áp

trên đường nguồn hạ áp của các công trình công nghiệp 124

I Giới thiệu 124

II Cấu trúc hệ thống bảo vệ quá áp đa cấp 124

III Mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp 127

1 Sự phân bố của dòng xung sét 130

2 Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống quá áp 132

3 Ảnh hưởng của các yếu tố đối với hiện tượng quá áp 134

IV Kết luận 138

Chương kết luận 139 Phụ lục 1

Phụ lục 2

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét Số ngày dông có ở Việt Nam trên toàn khu vực thuộc loại khá lớn Trong mạng điện, quá điện áp và quá trình quá độ do sét đánh là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cố lưới điện và làm hư hỏng các thiết bị lắp đặt trên lưới Nên việc đề ra các giải pháp chống sét, lựa chọn, phối hợp các thiết bị bảo vệ phù hợp và nghiên cứu chế tạo thiết bị chống sét đóng vai trò rất quan trọng Hiện nay chống sét trực tiếp đã được quan tâm tương đối với các giải pháp từ cổ điển đến hiện đại Tuy nhiên, số liệu thống kê chỉ ra hơn 70% hư hỏng do sét gây ra lại do sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu

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

Nhìn chung, mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn nhưng lại trải trên diện rộng và cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ nên nó lại là nguyên nhân dẫn sét vào công trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị Thống kê cho thấy, hậu quả không mong muốn của quá áp do sét lan truyền trên mạng phân phối hạ áp gây

ra thiệt hại rất lớn và nhiều lúc không thể đánh giá cụ thể được Vấn đề được đề cập một cách cấp bách trong những năm gần đây là các trang thiết bị điện tử đã trở thành các thiết bị được sử dụng ngày càng nhiều và rất phổ biến trong các tòa nhà, các công trình ở mọi lãnh vực như bưu chính viễn thông, phát thanh, truyền hình, công nghiệp… Các thiết bị này vốn rất nhạy cảm với điện áp và cách điện dự trữ của chúng rất mong manh vì thế cần phải tính toán lựa chọn, phối hợp và kiểm tra các thiết bị bảo vệ chống quá áp một cách hiệu quả, chính xác để tránh xảy ra hư hỏng cho các thiết bị này

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

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

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

II Nhiệm vụ của luận án

1 Nghiên cứu cấu tạo và xây dựng mô hình thiết bị khe hở phóng điện SG (Spark Gap) đơn giản

2 Nghiên cứu cấu tạo và xây dựng mô hình thiết bị biến trở oxide kim loại MOV (Metal Oxide Varistor)

3 Xây dựng một số mô hình nguồn xung dòng và áp không chu kỳ tiêu chuẩn

4 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống bảo vệ quá áp đa cấp trên đường nguồn hạ áp của các công trình công nghiệp

III Phạm vi nghiên cứu

1 Nghiên cứu cấu tạo và tính năng thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp

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

3 Mô phỏng và đánh giá hệ thống bảo vệ quá áp đa cấp trên đường nguồn hạ áp của các công trình công nghiệp

4 Nghiên cứu phần mềm mô phỏng hỗ trợ

IV Các bước tiến hành

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

2 Tổng hợp và phân tích tài liệu

3 Nghiên cứu phần mềm hổ trợ mô phỏng

4 Nghiên cứu cấu tạo thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp

5 Lập mô hình đơn giản phần tử khe hở phóng điện không khí SG (Spark Gap)

6 Lập mô hình phần tử MOV (Metal Oxide Varistor)

7 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống quá áp đa cấp

do sét lan truyền trên đường nguồn của các công trình công nghiệp

V Điểm mới của luận án

1 Đề ra mô hình các phần tử chính cấu tạo nên hệ thống bảo vệ quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp

2 Xây dựng một công cụ mô phỏng đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống bảo vệ quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn của các công trình

VI Giá trị thực tiễn của đề tài

Đề tài đạt được những kết quả mang tính thực tiễn như sau :

1 Kết quả nghiên cứu đáp ứng phần nào tính cấp bách trong công tác nghiên cứu lựa chọn, phối hợp và kiểm tra hiệu quả các thiết bị bảo vệ chống quá áp do sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp một cách chính xác trong điều kiện thiếu phòng thí nghiệm hiện nay

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

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

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

Luận án gồm 8 chương:

Chương mở đầu

Chương 1: Tổng quan về các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của khe hở phóng điện (Spark Gap) Chương 3: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến trở oxide kim loại (MOV) Chương 4: Xây dựng mô hình khe hở phóng điện (Spark Gap)

Chương 5: Xây dựng mô hình biến trở oxide kim loại (MOV)

Chương 6: Khảo sát hệ thống bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp của các

công trình công nghiệp

Chương kết luận

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ QUÁ ÁP

TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP

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

bị bảo vệ có khả năng làm việc lâu dài và đáng tin cậy

I Giới thiệu

Việc sử dụng ngày càng nhiều các phần tử bán dẫn trong hệ thống điện hiện đại đã dẫn đến sự tăng cường mối quan tâm về độ tin cậy của hệ thống Đây là kết quả của việc các phần tử bán dẫn rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp tản mạn có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều Việc sử dụng các phần tử bán dẫn ban đầu cũng bị hư hỏng rất nhiều mà không thể giải thích Nghiên cứu các hư hỏng này cho thấy chúng bị hư hỏng là do các điều kiện quá áp khác nhau xuất hiện trong hệ thống phân phối Điện áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột của năng lượng tồn tại trước đó từ các điều kiện như sét đánh, đóng cắt tải có tính cảm, xung điện từ hay phóng điện các điện cực Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá độ phụ thuộc vào tần số xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng sóng của quá độ Quá áp trong mạch điện chính xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh cửu hay tạm thời của các phần tử điện tử và hệ thống Bảo vệ chống lại quá áp quá độ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà sẽ giới hạn biên độ của quá áp quá độ bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bởi việc làm trệch hướng quá độ bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt

Các nhà thiết kế khôn ngoan sẽ quyết định sự cần thiết của việc bảo vệ quá áp quá độ trong giai đoạn thiết kế sớm nhất Nếu không phải tốn nhiều thời gian để thấy thật cần thiết phải trang bị các bộ bảo vệ quá áp quá độ cho các thiết bị hiện hữu Điều này sẽ tốn nhiều tiền do phải tạm ngưng hoạt động của các máy móc của khách hàng và phải chịu tổn thất kinh doanh tiềm tàng khi ngừng hoạt động Không kể đến trong một số hệ thống việc trang bị thêm các bộ bảo vệ quá áp sẽ làm hệ thống trở nên mất ngăn nắp bởi vì không gian yêu cầu cho chúng không có trong thiết kế ban đầu Các thiết bị được chọn bảo vệ hệ thống phải có khả năng làm tiêu tán năng lượng xung của quá độ vì thế hệ thống đang được bảo vệ sẽ không còn bị ảnh hưởng

theo

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

ƒ Sét

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

ƒ Sự lan truyền xung thông qua các máy biến áp

ƒ Sự thay đổi tải trong các hệ thống gần kề

ƒ Sự dao động và các xung công suất

ƒ Ngắn mạch hay nổ cầu chì

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

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

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

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

III Tỷ lệ xuất hiện của hiện tượng quá độ

Tỷ lệ xuất hiện của các xung quá độ khác nhau rất nhiều và phụ thuộc vào từng hệ thống Tỷ lệ này liên quan với biên độ của các xung, và xung có biên độ nhỏ thì xuất hiện nhiều hơn xung biên độ cao Theo số liệu thống kê được, xung 1kV hay nhỏ hơn thì tương đối phổ biến, trong khi xung 3kV thì hiếm hơn Hình 1.1 đã minh họa các dữ liệu thu thập được về số lần xuất hiện của các xung quá độ cùng với giá trị đỉnh của nó từ các nghiên cứu đã thực hiện Số lần xuất hiện của các xung

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

“medium exposure” và “high exposure”

Hình 1.1: Tỷ lệ xuất hiện của xung theo biên độ điện áp tại

các khu vực không được bảo vệ

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

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

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

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

xung quá độ trung bình Vùng xuất hiện cao (high exposure) rất hiếm xảy ra nhưng

trên thực tế vẫn xuất hiện đối với hệ thống được cung cấp bởi các đường dây truyền

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

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

Nghiên cứu trong mạng điện hạ áp trong nhà phát hiện rằng quá độ bắt gặp trong mục A (mạch nhánh dài và mạch ra) có dạng sóng với tần số thay đổi từ 5kHz đến hơn 500kHz; trong đó dạng sóng với tần số 100kHz được xem là phổ biến nhất (Hình 1.2) Xung đo được tại đường nguồn trong mục B (mạch cung cấp chính và mạch nhánh ngắn), dao động và không trực tiếp trong tự nhiên Dạng xung sét đã được chuẩn hóa: sóng áp 1.2/50μs và sóng dòng 8/20μs (Hình 1.3)

Hình 1.2: Dạng sóng 0.5μs-100kHz (áp mạch hở)

Hình 1.3a: Dạng sóng mạch hở

Hình 1.3b: Dạng sóng dòng phóng điện

V Bảo vệ quá độ

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

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

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

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

chúng sẽ tạo ra một đường dẫn trở kháng rất thấp làm trệch hướng quá độ khỏi các thiết bị tải mắc song song Thiết bị dạng kẹp áp có trở kháng thay đổi rất lớn phụ thuộc vào dòng chảy qua thiết bị hay là áp ở hai đầu thiết bị Các thiết bị này có đặc tính của một điện trở phi tuyến Giá trị điện trở thay đổi liên tục, không gián đoạn ngược với các thiết bị dạng đòn bẫy (crowbar) chỉ có đóng hoặc cắt

VI Các thiết bị bảo vệ quá áp

1 Bộ lọc

Việc lắp đặt một bộ lọc nối tiếp với các thiết bị dường như là một giải pháp hiển nhiên có tác dụng giảm quá áp Trở kháng của bộ lọc thông thấp, ví dụ như tụ điện, làm thành bộ ngăn cách áp với trở kháng nguồn Khi tần số của quá độ lớn hơn một vài lần tần số làm việc của mạch điện xoay chiều, bộ lọc sẽ làm việc và làm suy giảm quá độ ở tần số cao Một cách đáng tiếc, cách tiếp cận đơn giản này có thể có một vài ảnh hưởng không mong muốn bên cạnh:

a/ Sự cộng hưởng không mong muốn với thành phần cảm kháng trong hệ thống sẽ dẫn đến đỉnh áp tăng cao

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

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

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

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

2 Máy biến áp cách ly

Tổng quát, máy biến áp cách ly gồm hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, với tấm chắn tĩnh điện giữa các cuộn dây Máy biến áp cách ly được đặt giữa nguồn và thiết

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

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

ly sẽ không có tác dụng điều khiển điện áp

3 Khe hở phóng điện

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

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

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

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

truyền tải tần số cao, chẳng hạn như hệ thống điện thoại Một thuận lợi của kỹ thuật này là nó có thể chịu đựng xung dòng cao (lên đến 20kA)

Trong các ứng dụng có điện áp hoạt động bình thường trong mạch xoay chiều chính, có khả năng ống phóng khí sẽ không phục hồi lại một khi nó đã cháy và triệt xung quá độ Điều kiện này phụ thuộc vào dòng điện mà được định nghĩa bởi ANSI như sau: “dòng điện chảy qua thiết bị tần số công nghiệp cung cấp bởi nguồn, dòng điện kèm theo dòng phóng điện hồ quang” Dòng điện kèm theo này chảy trong khe hở khí đã bị ion hóa sau khi quá điện áp chấm dứt và điều đáng quan tâm là dòng điện kèm theo này có thể không thể tự dập tắt khi dòng đi qua giá trị 0

4 Diod thác Silic

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

bị, diod sẽ dẫn điện theo hướng ngược lại

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

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

5 Biến trở oxid kim loại (MOV)

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

Kỹ thuật dẫn điện cơ bản của MOV là kết quả của các mối nối bán dẫn (mối nối P-N) tại biên của các hạt oxid kẽm (ZnO) MOV là một thiết bị nhiều mối nối với hàng triệu hạt hoạt động phối hợp mắc nối tiếp-song song giữa 2 điện cực Điện áp rơi trên 1 hạt đơn gần như là hằng số và không phụ thuộc vào kích cỡ của hạt

Biến trở oxid kiâm loại cấu tạo chính bởi oxid Zn cộng với một số kiâm loại như bismuth, cobalt, manganses và các oxid kiâm loại khác Cấu trúc biến trở gồm một ma trận các hạt oxid ZnO dẫn điện bị ngăn cách nhau bởi biên của các hạt, chính là mối nối P-N mang đặc tính bán dẫn Khi MOV tiếp xúc với xung, oxid ZnO biểu lộ đặc tính “hoạt động chủ yếu” cho phép nó dẫn một lượng lớn dòng mà không bị hư hỏng Hành động chủ yếu này có thể dễ dàng giải thích bởi việc hình dung cấu tạo của MOV gồm một dãy các mối nối P-N sắp xếp nối tiếp và song song

vì thế dòng xung được chia nhỏ giữa các hạt Bởi vì trở kháng có hạn của các hạt, chúng hoạt động như các điện trở giới hạn dòng điện và do đó dòng điện được phân phối thông qua phần chủ yếu của chất liệu theo cách mà làm giảm sự tập trung dòng tại mỗi mối nối

Thiết bị MOV đã được nghiên cứu rất nhiều và trở thành một thiết bị bảo vệ quá áp hoàn thiện trên mạng xoay chiều hạ thế Bản chất chủ yếu của cấu trúc của nó đã khiến nó có đủ khả năng để xử lý các hậu quả quá độ mức II từ các nguồn sét không trực tiếp

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

Dưới điều kiện quá độ năng lượng cao vượt quá định mức thiết bị, đặc tính V-I của biến trở được thay đổi Sự thay đổi này phản ánh qua việc giảm điện áp của biến trở Sau khi chịu một xung lần thứ hai hay thứ 3, điện áp biến trở có thể trở về giá trị ban đầu của nó (Hình 1.4) Một cách thận trọng, giới hạn xung đỉnh đã được thiết lập, trong nhiều trường hợp, đã vượt quá nhiều lần mà không làm hư hại thiết

bị Những nghiên cứu và kiểm tra thí nghiệm đã chỉ ra rằng sự giảm phẩm chất của MOV có lẽ là nguyên nhân ảnh hưởng đối với sự an toàn của thiết bị được bảo vệ sau khi một số xung vượt ngoài định mức của thiết bị Điều này không có nghĩa là giới hạn thiết lập sẽ được bỏ qua nhưng lại được xem xét trong triển vọng định nghĩa một thiết bị hư hỏng Một thiết bị hư hỏng được định nghĩa bởi việc thay đổi

Hình 1.4: Khả năng chịu đựng xung lặp lại

VII So sánh các thiết bị bảo vệ quá áp phổ biến

Các thiết bị bảo vệ quá áp quá độ phổ biến: khe hở phóng điện, ống phóng khí, biến trở oxide kim loại (MOV), tụ lọc, diod Zener, diod thác, và thiết bị bảo vệ lý tưởng đã được đánh giá hiệu quả bảo vệ qua các thông số chính và được tổng hợp trong bảng 1.2

Bảng 1.2 : Các loại thiết bị bảo vệ quá áp quá độ

S

T

T

Loại Thiết Bị

Bảo Vệ Chống

Thời Gian Đáp Ưùng

Chế Độ Triệt Xung

Điện Aùp Kẹp

Năng Lượng Tiêu Tán

2 Ống phóng khí

(Gas Discharge

Tube)

Xung đột biến Chậm Đòn (Crowbar) bẫy 893V 496÷

(Sparkov er)

25ns Cắt xung

(Crowbar Transient Clipping)

400Vpc Thấp Trung

bình thấp

40ps Cắt xung

(Transient Clipping)

202Vpc 700Vps

82J Trung

bình thấp

6 Điốt Avalanche

(Avalanche

Diode)

Xung đột biến

5ps Cắt xung

(Transient Clipping)

200Vpc 300Vps

10J÷

2500J

Rất cao

7 Thiết bị bảo vệ Xung Rất Cắt xung 130Vrms 105÷ Trung

phối hợp các công nghệ

nhọn và xung đột biến

nhanh

< 3ps

(Transient Clipping

900VA (dạng xung 100ms)

bình

VIII Lựa chọn các thiết bị bảo vệ quá áp:

Để chọn các thiết bị bảo vệ quá áp thích hợp cho các ứng dụng, căn cứ trên các đại lượng sau:

1 Điện áp hiệu dụng cực đại của hệ thống

2 Chế độ bảo vệ của thiết bị bảo vệ quá áp

3 Thiết bị bảo vệ quá áp có điện áp lớn hơn 10%-25% điện áp hệ thống

4 Năng lượng quá độ trường hợp xấu nhất mà thiết bị bảo vệ quá áp phải hấp thu (Sử dụng hướng dẫn trong ANSI/IEEE C62.41-1980)

5 Điện áp kẹp yêu cầu để bảo vệ hệ thống

trên đường nguồn, khe hở phóng điện đã được sử dụng từ rất lâu và ngày càng được cải tiến nhằm nâng cao khả năng cắt nhanh dòng sét một cách hiệu quả nhất

Thiết bị cắt sét bằng khí hay còn gọi là khe hở phóng điện (Spark Gap) có khả năng tản sét cao cộng với điện dung kí sinh rất nhỏ (0.5-2pF) Với đặc điểm này, khe hở phóng điện được lắp ngay tại ngõ vào của hệ thống cấp nguồn nhằm cắt quá điện áp truyền dẫn vào hệ thống điện (Hình 2.1)

Máy biến áp Bảo vệ cấp 1 Bảo vệ cấp 2 Bảo vệ cấp 3

Khe hở

Hình 2.1: Sơ đồ vị trí các thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn

I Cấu trúc cơ bản

Khe hở phóng điện có 2 dạng chính: khe hở không khí (chất điện môi giữa hai điện cực là không khí) và ống phóng khí là cải tiến của khe hở không khí

1 Khe hở không khí

Đây là hình thức đầu tiên của bảo vệ quá áp Cấu tạo gồm một khe hở không khí giữa các điện cực dạng thanh, sừng, hình xuyến hay hình cầu … cho phép điện áp giữa hai điện cực gia tăng cho đến khi nó đạt đến một mức cần thiết phải phóng điện qua khe hở giữa hai điện cực Kích cỡ của khe hở phải đảm bảo khe hở phóng điện trước khi xảy ra hư hỏng thiết bị

Khe hở không khí có ưu điểm là:

- Có cấu tạo đơn giản

- Có khả năng cho phép năng lượng quá độ cao chảy qua

- Điện dung thấp

- Giá thành thấp

- Là phương tiện kiểm soát phóng điện bề mặt và tạo đường dẫn dòng sét xuống đất

Bên cạnh đó, khe hở không khí còn chịu một số nhược điểm sau:

- Mức phóng điện thay đổi do phụ thuộc điều kiện môi trường xung quanh, sau mỗi lần phóng điện, điện cực bị ăn mòn dẫn đến khoảng cách phóng điện thay đổi

- Khe hở không khí không có khả năng tự dập tắt hồ quang của lưới có dòng ngắn mạch vừa và lớn Khi một khe hở phóng điện tác động do quá áp sẽ hình thành hồ quang điện, hồ quang này tồn tại cho đến khi

bị cắt do các thiết bị bảo vệ lưới điện Điều này tạo nên sự cố pha – đất ở lưới trung tính trực tiếp nối đất và là nguyên nhân gây ngừng cung cấp điện

- Sự làm việc của khe hở không khí tạo ra sóng xung làm tăng khả năng phát sinh sóng xung gần những cực thiết bị được bảo vệ

- Bố trí tương đối các khe hở phóng điện cho mỗi pha phải được lựa chọn để hạn chế nguy cơ hồ quang lây lan sang pha bên cạnh, biến hư hỏng một pha thành ba pha

2 Ống phóng khí

Ống phóng khí là một cải tiến rất tinh vi của khe hở không khí, nó gồm có một vỏ thủy tinh hoặc sứ bên ngoài và bên trong chứa đầy khí trơ áp suất thấp với hai điện cực ở hai bên Hầu hết ống phóng khí đều có chứa chất phát xạ để ổn định điện áp phóng điện Mặt khác, sự phóng điện rất nhạy cảm với ánh sáng môi trường xung quanh

Do có kích thước nhỏ và khe hở khá rộng nên điện đung rất thấp (vài pF) Khi không hoạt hóa thì trạng thái tổng trở ngắt hoặc điện trở cách điện rất lớn (lớn hơn

10 GΩ)

Mặt cắt ngang của một ống phóng khí được trình bày trong Hình 2.2

Hình 2.2: Mặt cắt ngang của ống phóng khí

Ống phóng khí có một số đặc tính kỹ thuật sau:

- Điện áp phóng điện của ống phóng khí biến thiên chậm khoảng 5.000V/s Giá trị xung áp cực đại của thiết bị là mức mà thiết bị sẽ đánh lửa và trở nên dẫn điện khi áp vào nó điện áp có độ biến thiên tăng lên nhanh chóng (khoảng 100 V/μs) Giá trị xung áp cực đại này phụ thuộc vào từng loại thiết bị

- Dạng sóng điện áp điển hình của ống phóng khí đối với xung áp cao trình bày

ở Hình 2.3 Từ dạng sóng này có thể nhận thấy rằng tốc độ tăng áp là 100V/μs và điện áp phóng điện là 520V

Hình 2.3: Dạng sóng điện áp của ống phóng khí

- Ống phóng khí đánh lửa rất nhanh nhưng điện áp đánh lửa tăng lên theo độ dốc của đầu sóng trình bày như hình 4 Đường gần như thẳng đứng đặc trưng cho thời gian tăng đột biến của xung Thời gian đáp ứng lớn hơn 0.1s khi thời gian tăng chậm và giảm xuống dưới 0.1μs với tốc độ tăng áp 20kV/μs Tuy nhiên, điện áp đánh lửa tăng hơn 1000V đối với ống phóng khí loại 250V (DC)

- Điện áp phóng điện duy trì của ống phóng khí phải thấp hơn điện áp dư để dập tắt hồ quang sau khi quá áp xảy ra Điện áp dư vào khoảng 60% đến 70% điện áp phóng điện

- Điện áp hồ quang là điện áp ngang qua thiết bị khi dẫn điện Điện áp này thường vào khoảng 3V đến 10V, nhưng sẽ vượt quá 30V với xung dòng cực đại Ống phóng khí thường có tuổi thọ cao với điều kiện vận hành bình thường, tuy nhiên, cũng có hư hỏng xảy ra Các hư hỏng thường do dòng rò và điện áp đánh lửa gây ra Thử nghiệm cho thấy các ống phóng khí sử dụng từ 6 đến 8 năm có 15% đánh lửa ngoài qui định điện áp Do điện áp đánh lửa tăng lên trong quá trình sử dụng nên thiết bị bảo vệ thường sử dụng kết hợp một khe hở phóng điện dự phòng mắc song song với ống phóng khí Tuổi thọ sử dụng thường do nhà sản xuất qui định khi gia tăng thêm 50% điện áp phóng điện và điện áp đánh lửa

Hình 2.4: Thời gian đáp ứng của ống phóng khí

Ống phóng khí có các ưu điểm sau:

- Khả năng chịu dòng cao

- Điện dung thấp

- Trạng thái tổng trở ngắt cao

Bên cạnh các ưu điểm trên, ống phóng khí còn có các khuyết điểm sau:

- Thời gian đáp ứng thấp

- Tuổi thọ có giới hạn

- Điện áp thông qua cao

- Hư hỏng ở trạng thái hở mạch

II Các thông số kỹ thuật chính

- Điện áp phóng điện một chiều V sdc :

Giá trị này được xác định bằng cách sử dụng một điện áp với tốc độ tăng trưởng dv/dt ≈ 100V/s (Hình 2.5) : “điện áp phóng điện tĩnh”

Hiện tượng vật lý trên được dựa trên cơ sở sự phóng điện trong chất khí, là vấn đề với những thay đổi thống kê Những kết quả này, trong những sự biến đổi trong tất cả sản phẩm khe hở phóng điện được đưa vào quá trình tính toán khi có sai số chi tiết

- Điện áp phóng điện xung V si :

Những đặc tính điện áp phóng điện xung trạng thái động của khe hở phóng điện Giá trị khởi động trong tài liệu này xét đến điện áp với thời gian tăng trưởng dv/dt = 1kV/μs (Hình 2.6)

Hình 2.6 Hình 2.5

Trong thực tế, một số thông số kỹ thuật chính cần được quan tâm, bao gồm : điện áp phóng điện (một chiều và xung), điện áp dư cực đại, điện áp hồ quang và dòng xung cực đại

III Nguyên lý bảo vệ

Tổng quát, khi quá điện áp xuất hiện mà vượt quá độ bền điện của điện môi cách điện thì khe hở sẽ phóng điện Sự phóng điện này giới hạn điện áp đột biến và làm giảm nhiễu trong thời gian rất ngắn Bằng cách đốt cháy hồ quang với dòng điện có dung lượng lớn ngăn chặn từ trước sự tăng trưởng quá điện áp nhờ có một hằng số xấp xỉ điện áp hồ quang Nguyên lý giới hạn quá điện áp tự nhiên này được sử dụng bởi khe hở phóng điện

Một cách đơn giản, khe hở phóng điện có thể xem như một công tắc đối xứng công suất thấp Điện trở có thể thay đổi từ vài Gigaohm trong suốt quá trình vận hành bình thường đến giá trị nhỏ hơn 1 Ohm sau khi phóng điện với lý do quá điện áp đánh thủng cách điện khí của khe hở Đối với thiết bị ống phóng khí, ngay sau khi tình trạng quá áp kết thúc, khí này hết bị ion hóa và mạch điện phục hồi lại hoạt động bình thường tiếp tục, và ống phóng khí sẽ tự động trở lại trạng thái tổng trở cao lúc ban đầu sau khi các ảnh hưởng đã qua đi

Dưới đây, ta sẽ tìm hiểu nguyên lý làm việc của một khe hở phóng điện dạng ống phóng khí dưới tác dụng của một xung quá điện áp dạng sin (Hình 2.7)

V s điện áp đánh thủng

V gl điện áp cháy

V a điện áp hồ quang

V e điện áp hồi phục

G tầm chế độ cháy

A tầm chế độ hồ quang

a) Điện áp phóng điện qua thiết bị ống phóng khí với thời gian b) Dòng điện xuyên qua thiết bị ống phóng khí với thời gian c) Đường đặc tuyến V/I của thiết bị

Hình 2.7: Sự giới hạn của quá điện áp dạng sin bởi thiết bị ống phóng khí

Trong suốt quá trình tăng trưởng điện áp đến giá trị điện áp đánh thủng Vs , hầu như không có dòng điện chảy qua Sau khi đánh lửa, điện áp giảm xuống bằng giá trị điện áp cháy Vgl trong tầm của chế độ cháy G Hơn nữa, việc tăng dòng điện, sẽ chuyển sang xuất hiện chế độ hồ quang Điện áp hồ quang vô cùng thấp Va gần như không phụ thuộc dòng điện trên một tầm rộng (10-15V)

Với việc giảm điện áp (trong thời gian ½ dạng sóng), dòng điện xuyên qua thiết bị cắt sét giảm giá trị đến khi rơi xuống giá trị thấp nhất (từ khoảng 10 mA đến khoảng 100mA tùy theo từng loại thiết bị) cần thiết để duy trì trạng thái hồ quang

Do vậy, sự phóng điện hồ quang phải dừng lại và sau đó chuyển sang trạng thái cháy sáng (glow mode), thiết bị cắt sét hồi phục về giá trị điện áp Ve

xét thống kê sự biến thiên

Thực chất, giá trị trung bình của sự phân bổ điện áp đánh thủng có thể thấp hơn nữa bằng cách hỗ trợ sự đánh lửa trước khi đề cập đến việc tác động đến bên trong bề mặt của thiết bị cắt sét Việc giảm giới hạn trên của một lượng lớn sai số trường này và cũng hạn chế việc kéo dài điện áp đánh thủng của hồ quang Điện áp mồi lửa trong tầm động này được định nghĩa như một xung điện áp đánh thủng Vsi

(dynamic range) Do đó, khe hở phóng điện không phụ thuộc vào sự lâu dài tiền ion hóa để thu được các giá trị đặc trưng này (Vsi), là chủ yếu trong công tác định lượng chất lượng bảo vệ trong các ứng dụng thực tế

V Vật lý phóng điện trong chất khí của khe hở phóng điện

1 Một số dạng phóng điện trong chất khí

Hiện tượng phóng điện trong chất khí được mô tả như Hình 2.8 Hình vẽ cho thấy, từ điểm C cho đến điểm D dòng tăng nhanh hơn so với sự tăng áp vì cường độ điện trường trong khoảng cách khí đủ cao để gây ion hóa va chạm chất khí Tại điểm D, khi điện áp đạt đến trị số U0 thì dòng trong khoảng cách khí sẽ tăng vọt, chất khí đã mất hẳn tính điện môi của nó mà trở nên dẫn điện, khe hở phóng điện là một plasma

Hiện tượng, khi trong khoảng cách khí xuất hiện khe điện dẫn cao nối liền hai điện cực, chính là hiện tượng phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí (U0 = Uct)

Hình 2.8: Đặc tính V-A của khoảng cách không khí

Đoạn OABC trên đặc tính V-A gọi là giai đoạn phóng điện không tự duy trì Đoạn DEFG, là đoạn phóng điện tự duy trì, giai đoạn này dòng điện không còn phụ thuộc vào các nguồn ion hóa bên ngoài nữa mà tăng vọt dưới tác dụng của điện trường và chỉ phụ thuộc vào các thông số của bản thân mạch điện (công suất nguồn,

thời gian tác dụng của điện áp, điện trở trong mạch,…) và các thông số của chất khí giữa hai điện cực (áp suất, nhiệt độ, …)

Điện áp U0, mà từ đó bắt đầu giai đoạn phóng điện tự duy trì được gọi là điện áp bắt đầu phóng điện, điện áp tới hạn hay điện áp đánh thủng Tùy thuộc vào các điều kiện đã nêu của mạch điện và chất khí, phóng điện tự duy trì có thể xuất hiện ở các dạng như : phóng điện tỏa sáng – đoạn DEF (dạng phóng điện không ổn định), phóng điện tia lửa – đoạn FG (phóng điện ổn định) và phóng điện vầng quang (phóng điện không ổn định) Tuy nhiên, trong trường hợp khe hở phóng điện chỉ quan tâm hai dạng, phóng điện tia lửa và phóng điện hồ quang, như sau:

Phóng điện tia lửa (đoạn EG) xảy ra ở chất khí áp suất xấp xỉ và lớn hơn áp suất khí quyển, khi công suất nguồn không lớn hoặc thời gian tác dụng của điện áp không lâu Trong điều kiện áp suất này, khe hở hẹp Mật độ ion trong khe hở có thể cao, nhưng dòng không thể lớn vì bị giới hạn bởi công suất nguồn, kết quả là khe phóng điện (plasma) bị giải thể, nhưng sau đó lại có thể hình thành khe phóng điện mới Vì vậy ở điện áp xoay chiều, phóng điện tia lửa có dạng nhiều tia lửa xuất hiện riêng biệt xuất hiện liên tiếp nhau giữa hai điện cực Đây là dạng phóng điện không ổn định

Phóng điện hồ quang cũng được đặc trưng bởi đoạn FG của đặc tính V-A, nhưng ở đây công suất nguồn đủ lớn và thời gian tác dụng của điện áp đủ lâu nên phóng điện tia lửa chuyển thành phóng điện hồ quang Dòng chạy qua khe hồ quang là dòng ngắn mạch khoảng cách khí, có thể đạt đến trị số hàng trăm, hàng ngàn Ampere Do dòng lớn, nên khe hở bị đốt nóng lên, làm cho điện dẫn của nó tăng, điện dẫn tăng làm cho dòng tiếp tục tăng Quá trình đó đòi hỏi một thời gian đủ dài, bởi vậy khi thời gian tác dụng của điện áp quá ngắn, thì dù công suất nguồn lớn cũng chỉ gây nên phóng điện tia lửa mà thôi

2 Lý thuyết Ion hoá va chạm

Quá trình phóng điện phức tạp trong chất khí dưới tác dụng của điện trường chủ yếu gây nên do ion hoá va chạm bởi điện tử, do ion hóa quang trong thể tích khí cũng như ion hoá bề mặt điện cực âm Trong đó ion hóa va chạm là nhân tố cơ bản tham gia vào suốt quá trình phóng điện của chất khí và tạo tiền đề cho sự xuất hiện các dạng ion khác Lý thuyết ion hóa va chạm được xây dựng bởi Townsend

Như đã biết, các phần tử mang điện cũng như các phần tử khí đều chuyển động nhiệt hỗn loạn Ở điều kiện nhiệt độ bình thường năng lượng các phần tử tích lũy được trong bản thân quá trình chuyển động nhiệt này không đủ để gây ion hóa chất khí khi va chạm nhau Nhưng nếu tác dụng lên khoảng cách khí một điện trường

Hình 2.9: Quá trình tạo thành thác

Đặt lên khoảng cách khí giữa hai điện cực phẳng một điện trường (đồng nhất) Giả thiết ban đầu do một nhân tố ion hóa tự nhiên nào đó ở gần bề mặt điện cực âm xuất hiện một điện tử tự do Nếu cường độ điện trường ngoài đủ lớn thì điện tử trên đường bay về phía cực dương va cham với các phần tử khí và gây nên ion hóa với hệ số ion hóa va chạm α Cứ sau mỗi lần va chạm ion hóa lại xuất hiện thêm một điện tử tự do Các điện tử mới xuất hiện cũng được gia tốc bởi điện trường và cũng tham gia vào quá trình ion hóa va chạm chất khí, do đó số điện tử tăng lên theo cấp số nhân Dòng điện tử tăng lên ồ ạt này gọi là thác điện tử Số điện tử tự do nhẹ, có tốc độ lớn dễ khuếch tán sẽ dồn về phía đầu thác và tỏa rộng, còn các ion dương có khối lượng lớn, tốc độ chậm phân bố rải rác và thu hẹp dần từ thân thác đến đuôi thác (Hình 10a) Mật độ điện tích không gian – điện tử và ion dương – phân bố theo chiều dài khoảng cách khí có dạng như trong Hình 10b Để số lượng điện tử trong thác gây nên bởi một điện tử ban đầu, giả thiết khi thác phát triển đến điểm x đã có

n điện tử Trên đoạn đường dx tiếp theo, mỗi điện tử sẽ gây αdx lần ion hóa, như vậy số điện tử tăng thêm trên đoạn đường dx bằng :

dn = nαdx (2.1) Tách các biến số và lấy tích phân theo n từ 1 đến n và theo x từ 0 đến x :

Sẽ xác định được :

d- Sự biến dạng của điện trường ngoài

Nếu điện trường tác dụng lên khoảng cách khí là đồng nhất, E = E0 = const, thì

α không thay đổi theo x, do đó số điện tử trong thác sẽ là :

Ở mật độ khí cao nếu không tính đến ảnh hưởng của điện tích không gian thì sẽ không giải thích được một loạt các vấn đề thực tế như: thời gian phóng điện đo

nguồn Vì dòng xuất phát từ cửa dương nên được gọi là dòng dương (dòng anode),

tốc độ phát triển trung bình của nó vào khoảng 3.108 cm/s, mật độ điện tích khoảng

1013 ÷ 1014 trên cm3

Khi điện áp tác dụng lên hai điện cực cao hơn trị số điện áp bắt đầu phóng

điện (U > U0) thì thác đầu tiên chỉ cần đi qua một khoảng cách xk nhất định, xk < s,

thì số lượng điện tích trong thác đã đủ cao để gây nên biến dạng của điện trường

ngoài đáng kể, tạo điều kiện cho ion hóa quang chất khí xuất hiện Trong trường

hợp này điện tử thứ cấp và do đó thác thứ cấp không chỉ hình thành ở sau đầu thác

mà ở cả trước đầu thác ban đầu nữa Do đồng thời có nhiều thác phát triển nên mỗi

thác chỉ cần đi qua một phần của khoảng cách s, vì thời gian phóng điện xuyên

thủng khoảng cách khí bé hơn thời gian thác ban đầu đi qua toàn bộ khoảng cách

khí theo lý thuyết phóng điện Townsend

4 Phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí trong điện trường đồng nhất

Khi điều kiện phóng điện tự duy trì được thỏa mãn thì sẽ dẫn đến phóng điện

xuyên thủng khoảng cách khí, tức là điện áp đánh thủng Uct bằng điện áp phóng

điện tự duy trì U0 Do đó, có thể xác định điện áp đánh thủng từ điều kiện phóng

α

/exp

A

Từ đó suy ra điện áp đánh thủng khoảng cách khí :

( ) ( ) f( )s s

A

s U A

=

1

1ln

ln 0

Biểu thức này cho thấy : “Trong điện trường đồng nhất, điện áp phóng điện xuyên thủng khoảng cách khí là hàm của tích số mật độ chất khí với chiều dài khoảng cách khí” – Qui luật Paschen (1865 - 1947)

Đường cong Uct = f(δs) đi qua một cực tiểu ở trị số δs tương đối bé, tương ứng với điều kiện ion hóa va chạm thuận lợi nhất, nghĩa là lúc hệ số ion hóa va chạm điện tử α có trị số lớn nhất

Quan hệ của cường độ điện trường theo δs khi phóng điện xuyên thủng :

=

=

1

1ln

ln 0 0

γ

δδ

U A s

U

E ct ct i

(2.10)

5 Phóng điện trong chất khí khi điện áp tác dụng có dạng xung

Trong thực tế cách điện của các trang thiết bị điện cao áp còn chịu tác dụng của những xung điện áp cao với thời gian duy trì rất ngắn, đó là dạng điện áp xuất hiện khi có quá điện áp khí quyển gây nên bởi sét đánh trực tiếp hoặc đánh gần thiết bị Vì điện áp xung lan truyền từ nơi phát sinh theo đường dây tải điện dưới dạng sóng điện từ nên thường gọi là sóng điện áp Phần sóng trong đó điện áp tăng lên giá trị cực đại được gọi là đầu sóng, còn phần sóng trong đó điện áp giảm được gọi là đuôi sóng Trị số cực đại Umax gọi là biên độ sóng Khoảng thời gian trong đó điện áp tăng đến giá trị cực đại là thời gian đầu sóng (τđs) và khoảng thời gian cho đến khi điện áp giảm còn bằng nửa biên độ (ở phần đuôi sóng) được gọi là thời gian toàn sóng hay là độ dài sóng (τs)

a Các thành phần của thời gian phóng điện

Giả thiết cho tác dụng lên khoảng cách khí một xung điện áp, với U0 là điện áp phóng điện tự duy trì Rõ ràng là trứơc thời điểm t1 và ngay cả thời điểm t1 quá trình phóng điện chưa thể bắt đầu được Để bắt đầu quá trình phóng điện, cần phải có trứơc hết trong khoảng cách ở gần cực âm một điện tử tự do hiệu dụng đầu tiên, khoảng thời gian từ t1 cho đến khi xuất hiện điện tử tự do hiệu dụng đầu tiên đó đựơc gọi là thời gian chậm trễ thống kê ttk Quá trình phóng điện bắt đầu tại thời

t

ƒ Các nguồn ion hóa bên ngoài : Nếu cường độ nguồn ion hóa bên ngoài mạnh thì thời gian chậm trễ thống kê trung bình sẽ ngắn Có thể dùng một liều lượng nguyên tố phóng xạ, hoặc một khe hở phóng khí hở phóng tia lửa, hai tác nhân này có thể làm giảm thời gian chậm trễ thống kê trung bình hơn 10 lần

ƒ Công thoát của vật liệu làm cực âm : Điện cực được chế tạo bằng kim loại có công thoát bé thì thời gian chậm trễ thống kê trung bình sẽ giảm

vì với cường độ nguồn ion hóa bên ngoài không đổi thì số điện tử đựơc giải thoát khỏi bề mặt cực âm nhiều hơn

ƒ Điện áp tác dụng : tăng điện áp tác dụng sẽ giảm được thời gian chậm trễ thống kê vì cường độ điện trường trong khoảng cách tăng sẽ làm giảm xác xuất tạo thành ion âm và giảm số lượng điện tử khuếch tán

ƒ Thực nghiệm cho thấy, trong điện trường đồng nhất, với cường độ nguồn ion hóa bên ngoài không đổi thì điện áp tác dụng tăng đến một giới hạn nào đó ( ≈ 1 , 6 ÷ 1 , 8 )

o

U

U thì thời gian chậm trễ thống kê hầu như không giảm nữa (ttk = ttkmin) điều này được giải thích , bởi vì khi điện áp đạt đến trị số đủ lớn thì cường độ điện trường trong khoảng cách đủ cao để

đảm bảo cho mọi điện tử được giải thoát khỏi bề mặt cực âm đều trở

thành điện tử tự do hiệu dụng Khi điện áp tác dụng xấp xỉ điện áp

phóng điện tự duy trì thì thời gian chậm trễ thống kê kéo dài, có thể đến

hàng chục μs

ƒ Mức độ không đồng nhất của điện trường : trong điện trường rất không

đồng nhất và thời gian chậm trễ thống kê trung bình rất bé và ít phụ

thuộc vào các nguồn ion hóa bên ngoài hơn so với điện trừơng đồng

nhất và hơi không đồng nhất Vì ngay cả khi điện áp tác dụng còn có giá

trị bé hơn điện áp phóng điện tự duy trì thì cường độ điện trường ở bề

mặt điện cực có bán kính cong bé đã có thể đủ cao để gây ion hóa chất

khí và tự cung cấp các điện tử tự do hiệu dụng

b Thời gian hình thành phóng điện

Thời gian từ lúc điện tử tự do hiệu dụng xuất hiện (t2) đến khí quá trình phóng

điện kết thúc (t3) trải qua ba giai đoạn :

ƒ Thác điện tử đầu tiên phải phát triển tới một độ dài xk, cần thiết để tạo

điều kiện cho sự hình thành dòng

ƒ Dòng phát triển qua suốt chiều dài khoảng cách

ƒ Phóng điện ngược qua toàn bộ khoảng cách

Do phóng điện ngược phát triển với tốc độ cao hơn nhiều so với tốc độ điện tử

(cũng là tốc độ phát triển của thác) và tốc độ phát triển của dòng, nên thời gian

phóng điện ngược rất bé, có thể bỏ qua Như vậy, thời gian hình thành phóng điện tht

gần đúng bằng tổng thời gian phát triển của thác tt và của dòng td

Thời gian để thác đi qua một đoạn xk bằng :

E k

x t

Thời gian để dòng phát triển qua toàn bộ khoảng cách khí

E bk

s t

e

Trong đó: b là hệ số chỉ khả năng phát triển nhảy vọt của dòng so với tốc độ

của điện tử dước tác dụng của ion hóa quang b = 2 ÷10

e 0

Nếu tăng U = 1,6U0 thì tht giảm gần 3 lần, do ve tăng

Trong trường rất không đồng nhất, thác điện tử đầu tiên chỉ cần phát triển qua một đoạn xk << s thì đủ điều kiện để hình thành dòng Do đó, thời gian hình thành phóng điện thực tế gần bằng thời gian phát triển của dòng

d d ht

v

s t

Tốc độ phát triển của dòng vd phụ thuộc vào loại chất khí, mức độ không đồng nhất của trường, điện áp tác dụng và cực tính của cực có bán kính cong bé Nhận thấy, khi mức độ không đồng nhất của trường tăng thì tốc độ trung bình của dòng giảm, vì trong quá trình phát triển dòng càng đi sâu vào khoảng cách khí thì rơi vào vùng có cường độ trường càng yếu

VI Kết luận

Trong hệ thống điện, khe hở phóng điện được sử dụng để triệt xung quá điện áp tức thời như trường hợp các xung sét Khe hở phóng điện có cấu tạo khá đơn giản và có ưu điểm nổi bật là có khả năng cho phép năng lượng quá độ cao chảy qua Tuy nhiên, điện áp phóng điện của nó lại thay đổi, do phụ thuộc điều kiện môi trường xung quanh, độ dốc đầu sóng của xung sét và sau mỗi lần phóng điện, điện cực bị ăn mòn dẫn đến khoảng cách phóng điện thay đổi Thời gian đáp ứng của nó có cũng liên quan đến độ dốc đầu sóng của xung sét

Nhìn chung, nguyên lý hoạt động của khe hở phóng điện thật đơn giản, bình thường thì tổng trở ngắt của khe hở rất cao (nó được xem như cách ly với hệ thống), khi điện áp đặt vào 2 đầu của khe hở vượt quá mức điện áp đánh thủng của chất điện môi giữa 2 điện cực của nó thì khe hở dẫn điện, truyền năng lượng quá độ cao xuống đất Nhưng nếu xét thật chi tiết thì trạng thái hoạt động quá độ của khe hở mà đặc trưng là quá trình vật lý của hiện tượng phóng điện trong chất khí nó rất phức tạp Do đó rất khó lập mô hình và mô phỏng cho khe hở phóng điện do phải tích hợp cả cơ cấu phóng điện vào quá trình mô phỏng để tái hiện đáp ứng thật của khe hở

bị bảo vệ quá áp hoàn hảo bởi khả năng ứng dụng linh hoạt và độ tin cậy cao

MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp với đặc tuyến V/I đối xứng (Hình 3.1), điện trở của nó sẽ giảm khi điện áp tăng kết hợp với dòng điện rò cực thấp trong vùng điện áp làm việc bình thường Đặc tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV có tính 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 đột biến Phần lớn năng lượng xung quá độ được hấp thu bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch được bảo vệ tránh hư hại

Hình 3.1:Đặc tuyến V/I của một MOV trong vùng tuyến tính

Sự phụ thuộc của dòng điện vào điện áp của MOV có thể biểu diễn qua công thức:

Với α là số mũ phi tuyến và tượng trưng cho độ dốc của đặc tuyến V/I của MOV Số mũ phi tuyến α này càng lớn thì tính phi tuyến càng cao

được nén lại, sau đó nung ở nhiệt độ từ 1000-14000C Hỗn hợp rắn oxide kẽm ZnO với oxide Bismuth và oxide kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên ceramic

đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp Hiện tượng này gọi là hiệu ứng biến trở

Bản thân hạt oxide kẽm dẫn điện rất tốt ( đường kính hạt khoảng 15 –100μm), trong khi oxide kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao Chỉ tại các điểm oxide kẽm gặp nhau tạo nên ‘’vi biến trở ’’, tựa như hai diode zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V Chúng có thể nối nối tiếp hoặc song song (Hình 3.3) Việc nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn (năng lượng tiêu hao trong chất bán dẫn hầu như chỉ xảy ra trên biên P-N rất mỏng, trong khi đó đối với MOV nó phân phối trên tất cả các “vi biến trở”), MOV hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chịu được dòng xung đột biến cao

Hình 3.3 Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I

Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như Hình 3.4 Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thể xem như là một thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt Hành vi của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của ceramic, kích thước hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trò chính trong hành vi về điện

Điều này đưa đến các tính chất về điện của MOV gần như được điều khiển bởi kích thước vật lý của nó:

ƒ Khi tăng bề dày của MOV 2 lần sẽ làm cho mức bảo vệ của nó cũng tăng 2 lần do số vi biến trở nối tiếp cũng tăng 2 lần

ƒ Khi tăng tiết diện của MOV 2 lần sẽ làm cho khả năng tải dòng điện của nó cao hơn 2 lần do số đường dẫn dòng nối song song cũng tăng 2 lần

Hình 3.4 Vi cấu trúc của ceramic

Cấu trúc của biến trở bao gồm một ma trận hạt dẫn ZnO tiếp xúc nhau qua biên hạt cho đặc tính như tiếp giáp P-N của chất bán dẫn Các hạt ZnO có kích