Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Bảo vệ chồng sét lan truyền trong mạng hạ áp

Nội dung nghiên cứu của luận văn là giới thiệu tổng quan về chống sét lan truyền. Tìm hiểu công nghệ chống sét lan truyền hiện đại. Mô hình và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trong mạng hạ áp. Mô hình máy phát xung sét chuẩn. Đánh giá các giải pháp chống sét lan truyền trong mạng hạ áp.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Trang 2

Trang 3

Cán bộ hướng dẫn khoa học : ………

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm …

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

STT Họ & Tên Chức danh Hội đồng

1 TS Võ Ngọc Điều Chủ tịch

2 TS Nguyễn Hùng Phản biện 1

3 PGS.TS Lê Kim Hùng Phản biện 2

4 TS Trương Việt Anh Ủy viên

5 TS Huỳnh Quang Minh Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

Trang 4

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN HOÀNG VŨ Giới tính: Nam

Ngày, tháng năm sinh: 09/07/1984 Nơi Sinh: Long An

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830044

I- TÊN ĐỀ TÀI:

BẢO VỆ CHỒNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Giới thiệu tổng quan về chống sét lan truyền

2 Tìm hiểu công nghệ chống sét lan truyền hiện đại

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

4 Mô hình máy phát xung sét chuẩn

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

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/12/2013

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

Nhân dịp hoàn thành luận văn tốt nghiệp, đầu tiên cho phép tôi bày tỏ lòng biết

ơn đến Ban Giám Hiệu & Quí Thầy Cô Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM, Phòng Sau Đại Học Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM, giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Nhân dịp hoàn thành luận văn tốt nghiệp, cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Quyền Huy Ánh đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Xin gởi lời cảm ơn đến toàn thể các bạn học viên lớp Cao học 12SMĐ Trường Đại Học Công nghệ Tp.HCM khóa 2012-2013 đã động viên, khích lệ giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Xin cảm ơn Thầy Cô - Gia Đình, Bạn Bè đã luôn bên tôi, động viên giúp đỡ tôi

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện Luận văn

Trang 7

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn (TBBV) của các hãng sản xuất khác nhau với các công nghệ đa dạng Việc lựa chọn TBBV có hiệu quả bảo vệ cao ở mức ít tốn kém nhất, thường gặp nhiều khó khăn vì các nhà sản xuất thường cung cấp các thông tin liên quan đến ưu điểm về sản phẩm mà không đề cập đến các nhược điểm Vì vậy, cần nhận biết và đánh giá các tính năng kỹ thuật quan trọng nhất và loại bỏ các thông tin không quan trọng, thậm chí có thể gây lầm lẫn trong việc ra quyết định lựa chọn TBBV là yêu cầu bức thiết Các thông số kỹ thuật được xem xét để đánh giá thiết bị bảo vệ bao gồm: mức chịu quá áp lâu dài, điện áp thông qua, giá trị xung, tuổi thọ, tốc độ đáp ứng, khả năng tản năng lượng sét, công nghệ Trong các thông số trên, thông số điện áp thông qua là quan trọng nhất

Đề tài này nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến trở oxide kim loại (MOV) trong bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp Xây dựng và

mô phỏng mô hình MOV hạ thế trong môi trường Matlab, kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với xung dòng chuẩn, xác định năng lượng hấp thụ của MOV, xác định công thức tiêu tán trung bình của MOV và xác định số xung sét lặp lại mà MOV có thể chịu được bằng phương pháp qui xung sét chuẩn (8/20µs) ra xung vuông Các thông

số cần nhập vào của mô hình MOV đơn giản, hoàn toàn được cung cấp bởi nhà sản xuất Hơn nữa, người sử dụng còn có khả năng cập nhật thêm cho mô hình khi cần thiết

Ngoài ra, luận văn cũng đề cập đến các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp nhằm tối ưu hóa các tính năng bảo vệ và nâng cao độ tin cậy trong quá trình vận hành Các yếu tố ảnh hưởng này bao gồm: công nghệ chống sét, sự lựa chọn phối hợp bảo vệ của các TBBV và đánh giá hiệu quả bảo vệ của các thiết bị lọc sét

Luận văn bao gồm các nội dung chính sau đây:

2 Tìm hiểu công nghệ chống sét lan truyền hiện đại

6 Kết luận

Trang 8

ABSTRACT

Currently on the market there are many types of devices Surge protection on power lines ( TBBV ) by different manufacturers with diverse technologies The selection TBBV high effective protection at the least expensive , often difficult because manufacturers often provide information related to product advantages without the disadvantages mentioned Therefore , it is necessary to identify and evaluate the key technical features and remove the unimportant information , and even can cause confusion in the selection decision is TBBV urgent requirement The specifications are reviewed to assess the protective device includes : a long-term bear the pressure , through voltage , pulse value , longevity, speed of response , the lightning energy dissipation capability , the technology In the above parameters , voltage parameters passed is most important

This topic studied composition and operation principle of metal oxide varistor (MOV) for Surge protection on low voltage power line Construction and simulation models MOV voltage in Matlab environment, meet the test pulse flow model with standard MOV, determine the energy absorbed by MOV, determine average formulas dissipation of MOV and determine the MOV lightning pulse repetition that can withstand lightning impulse provided by the standard method (8/20μs) square pulses The parameters of the model enter into MOV simple, entirely provided by the manufacturer Furthermore, users can also add the ability to update the model as needed

In addition, the thesis also mentions the factors affecting effective lightning protection on low voltage power line in order to optimize the security features and enhanced reliability during operation Factors affecting this include lightning protection technology, the choice of the protection coordination and assessment TBBV protective effect of the clay filter device

Thesis includes the following main contents:

1 Overview of Surge Protection

2 Learn Surge Protection technology modern

3 Model and Simulation Surge Protection devices in low voltage networks

4 Model standard lightning impulse generator

5 Evaluate solutions Surge in low voltage networks

6 Conclusion

Trang 9

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iii

ABSTRACT iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH xii

CHƯƠNG MỞ ĐẦU I GIỚI THIỆU 01

1 Đặt vấn đề 01

2 Nguyên nhân hình thành sét 02

3 Tính cấp thiết của đề tài 04

II MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1 Mục tiêu của đề tài 05

2 Nội dung nghiên cứu 06

3 Điểm mới của luận văn 06

4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu 06

4.1 Phương pháp luận 06

4.2 Phương pháp nghiên cứu 07

5 Nội dung luận văn 07

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP & PHẦN MỀM MATLAB 1.1 GIỚI THIỆU 08

1.2 TẦN SUẤT XUẤT HIỆN SÉT 10

1.3 DẠNG XUNG SÉT 10

1.3.1 Dạng sóng 10/35µs 10

1.3.2 Dạng sóng 8/20µs 11

1.4 BIÊN ĐỘ XUNG SÉT 1.4.1 Hiện tượng quá độ 12

1.4.2 Tỷ lệ xuất hiện của hiện tượng quá độ 13

Trang 10

1.4.3 Hiện tượng quá độ tiêu biểu 15

1.4.4 Bảo vệ quá độ 16

1.5 Các thiết bị bảo vệ quá áp 16

1.5.1 Bộ lọc 16

1.5.2 Máy biến áp cách ly 17

1.5.3 Khe hở phóng điện 17

1.5.4 Diod thác Silic 19

1.5.5 Biến trở oxid kim loại (MOV) 19

1.6 CÁC THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP 1.6.1 Thiết bị cắt sét 21

1.6.2 Thiết bị lọc sét 22

1.7 CÁC TIÊU CHUẨN TRONG BẢO VỆ QUÁ ÁP 1.7.1 Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE 22

1.7.2 Bảo vệ quá áp theo IEC 23

1.7.3 Hệ thống bảo vệ chống sét hạ áp 23

1.7.4 Chống sét lan truyền 25

a) Chống sét lan truyền cho trạm biến áp ³ 1000v (1kv) b) Chống sét lan truyền cho lưới điện hạ thế 3 pha 220/380v – 50/60hz 1.8 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB 1.8.1 Khởi động chương trình Matlab 29

1.8.2 Các khối sử dụng trong mô hình 30

1.8.3 Giới thiệu công cụ Curve Fitting Toolbox 32

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN HIỆN ĐẠI 2.1 GIỚI THIỆU 36

2.2 CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP 2.2.1 Khe phóng điện (Spark Gap) 37

2.2.2 MOV (Metal Oxide Varistor) 39

2.2.3 SAD (Silicon Avalanche Diode) 39

2.2.4 TDS (Transient Discriminating Suppressor) 40

2.2.5 Hệ thống phân tán năng lượng sét (DAS) 41

2.3 CÁC MÔ HÌNH CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN HIỆN ĐẠI

Trang 11

2.3.1 Mô hình MOV của MatLab 43

2.3.2 Xây dựng mô hình MOV hạ thế 45

2.3.3 Xây dựng sơ đồ khối mô hình Spark Gap 58

2.3.4 Mô hình Triggered Spark Gap 63

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP 3.1 Giới thiệu 67

3.2 Tổng quan về các MOV hạ thế đang sử dụng để chế tạo thiết bị chống sét trên đường nguồn hạ áp 68

3.3 Các chỉ tiêu chính đánh giá thiết bị chống sét lan truyền 68

3.4 MOV đơn khối 69

3.4.1 Phương pháp bình phương nhỏ nhất 69

a) Dạng hàm bậc nhất 69

b) Dạng hàm bậc hai 70

3.4.2 Mô phỏng và đo lường điện áp dư (Vr) MOV đơn khối 71

3.5 MOV đa khối 82

3.5.1 Hệ số dự trữ 82

3.5.2 Mô phỏng và đo lường điện áp ngưỡng của MOV đa khối 92

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG 4.1 Giới thiệu 99

4.2 Các dạng xung không chu kỳ chuẩn và phương trình toán của mô hình 99

4.3 Xây dựng mô hình nguồn phát xung 103

4.4 Kết luận 107

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP 5 1 Giới thiệu 108

5.2 Đánh giá ưu và nhược điểm của MOV đơn và đa khối chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp 111

5.3 Ảnh hưởng của thiết bị lọc sét 112

5.3.1 Trường hợp 1 (bảo vệ một tầng + thiết bị lọc sét) 112

5.3.2 Trường hợp 2 (phối hợp bảo vệ hai tầng + thiết bị lọc sét) 115

5.3.3 So sánh hiệu quả bảo vệ của công nghệ SG, TSG, MOV 117

5.3.4 So sánh hiệu quả bảo vệ của 3 trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng

Trang 12

TSG1-MOV, MOV1-MOV2 và SG1-MOV2 119 5.3.5 Phối hợp bảo vệ quá áp 3 tầng 121

5.3.6 So sánh hiệu quả bảo vệ của 2 trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng

và ba tầng 123

CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

PHỤ LỤC

Trang 13

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ANSI: American National Standards Institute: Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ CM: Common Mode: Trạng thái phổ biến

DM: Differential Mode : Trạng thái khác biệt

GDT : Gas Discharge Tube : Ống phóng khí

IEC: International Electrotechnical Commission: Hội đồng kỹ thuật quốc tế

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers: Học viện kỹ sƣ điện – điện tử MOV : Metal Oxide Varistor: Biến trở Oxide kim loại

PE: Protect Earth: Bảo vệ nối đất

PEN: Protect Earth Neutral: Bảo vệ trung tính + bảo vệ nối đất nối chung

SPD: Surge Protection Device : Thiết bị bảo vệ quá áp

SG: Spark Gap (khe phóng điện)

TSG: Trigger Spark Gap (khe hở phóng điện tự kích)

MOV: Metal Oxide Varistor (biến trở oxide kim loại)

SAD: Sillicon Avalanche Diode

TDS: Transient Discriminating Suppressor

Iref : Dòng điện quy chuẩn trên một đĩa MOV

Trang 14

DANH MỤC CÁC BẢNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP & PHẦN MỀM MATLAB

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

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

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN HIỆN ĐẠI

Bảng 2.1: Bảng thông số cho trong catalogue của 5 loại MOV hạ thế của Siemens Bảng 2.2: Bảng tổng hợp kết quả điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV hạ thế Siemens với xung dòng 8/20s

Bảng 2.3: Bảng thông số cho trong catalogue của 2 loại MOV hạ thế của AVX Bảng 2.4: Bảng tổng hợp kết quả điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV hạ thế của hãng AVX với xung dòng 8/20s

Bảng 2.5: Bảng thông số cho trong catalogue của MOV hạ thế của hãng Littelfuse Bảng 2.6: Bảng tổng hợp kết quả điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV hạ thế của hãng Littelfuse với xung dòng 8/20s

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP

Bảng 3.1 Xung sét cực đại theo vùng bảo vệ và mật độ sét

Bảng 3.2: Bảng tổng hợp kết quả điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế đơn khối khi

mô phỏng với dòng xung 8/20s với biên độ và điện áp ngưỡng khác nhau Bảng 3.3: Bảng tổng hợp phương trình liên hệ giữa điện áp dư (Vr) và điện áp ngưỡng (Vn) của MOV đơn khối

Bảng 3.4: Bảng tổng hợp thông số điện áp dư và đặc tuyến vừa xây dựng so với catalog của nhà sản xuất và sai số

Bảng 3.5: Bảng tổng kết hệ số dự trữ của MOV-8KA mắc song song

Bảng 3.6: Bảng tổng hợp thông số điện áp dư khi tiến hành mô phỏng MOV đa khối trên Matlab

Bảng 3.7: Bảng tổng hợp phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng và dòng xung sét của MOV đa khối

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG

Bảng 4.1: xung dòng và xung áp chuẩn

Trang 15

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP

Bảng 5.1 So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ một tầng +

bộ lọc sét

Bảng 5.2.So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng có

bộ lọc sét

Bảng 5.3 So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp SG, TSG, MOV

Bảng 5.4 So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng Bảng 5.5 Bảng so sánh điện áp thông qua trong 2 trường TSG1-MOV TSG1-MOV2 MOV3

Trang 16

DANH MỤC CÁC HÌNH CHƯƠNG MỞ ĐẦU

Hình Cơ bản nguyên nhân hình thành sét

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG

NGUỒN HẠ ÁP & PHẦN MỀM MATLAB

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

là 1ms)

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

Hình 1.3 Sét đánh trực tiếp vào kim thu trên sét trên đỉnh công trình

Hình 1.4 Sét đánh trực tiếp vào đường dây không lân cận công trình

Hình 1.5 Dạng sóng 10/350µs

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

Hình 1.7 Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình

Hình 1.8 Dạng sóng 8/20µs

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

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

được bảo vệ

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

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

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

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

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

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

cho mạng điện 1 pha

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

cho mạng điện 3 pha

Hình 1.16 Hệ thống chống sét lan truyền

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

“Simulink”

Hình 1.18 Thư viện Simulik trong chương trình Matlab

Hình 1.19 a.Thao tác mở cửa sổ làm việc

Hình 1.19 b Cửa sổ làm việc

Hình 1.20 Giao diện tạo Curve Fitting Toolbox

Trang 17

Hình 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSG

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị

Hình 2.3 Chống sét theo nguyên lý phân tán năng lượng sét

Hình 2.4 Quan hệ dòng điện –điện áp của mô hình MOV

Hình 2.5: Hộp thoại của mô hình MOV trong MatLab

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của mô hình

Hình 2.7: Sơ đồ mạch tương đương của mô hình MOV đề nghị

Hình 2.8: Đặc tính V-I của MOV có sai số TOL 10%

Hình 2.9: Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V=f(I) của MOV

Hình 2.10: Mô hình MOV hạ thế

Hình 2.11: Biểu tượng mô hình MOV hạ thế

Hình 2.12: Hộp thoại khai báo biến Parameters của mô hình MOV hạ thế & nguồn phát xung

Hình 2.13: Hộp thoại Initialization của mô hình MOV hạ thế & nguồn xung dòng Hình 2.14: đoạn chương trình tự động thông báo lỗi

Hình 2.15: Hộp thoại thông số của mô hình MOV hạ thế & Nguồn xung

Hình 2.16: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV hạ thế đề nghị

Hình 2.17: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV B40K275 (hãng Siemens) với xung 5kA 8/20s

Hình 2.20: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV VE13M02750K (hãng AVX) với xung 1kA 8/20s

Hình 2.21.: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV

Trang 18

VE13M02750K (hãng AVX) với xung 2kA 8/20s

Hình 2.22: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV V275LA40A (hãng Littelfuse) với xung 1kA 8/20s

Hình 2.25 Sơ đồ khối điều khiển SC

Hình 2.26 Khai báo các thông số trong Breaker

Hình 2.27 Sơ đồ mô phỏng phóng điện khe hở không khí trong MatLab

Hình 2.28 Các thông số cần khai báo cho mô hình Spark Gap

Hình 2.29 Tạo biểu tƣợng cho mô hình trong MATLAB

Hình 2.30 Biểu tƣợng mô hình khe hở phóng điện không khí Spark Gap

Hình 2.31 Sơ đồ mạch mô phỏng Spark Gap với nguồn xung áp

Hình 2.32.Khai báo các thông số của mô hình nguồn xung áp

Hình 2.33 Khai báo các thông số của mô hình Spark Gap

Hình 2.34 Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker = 3kA với xung áp 1.2/50µs 5kV Hình 2.35 Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker = 3kV với xung áp 10/700µs 10kV Hình 2.36 Sơ đồ cấu tạo Triggered Spark Gap với điện trở phi tuyến

Hình 2.37 Sơ đồ khối điều khiển

Hình 2.38 Sơ đồ cấu tạo của khối điện trở phi tuyến

Hình 2.39 Sơ đồ mạch mô phỏng đáp ứng của chống sét TSG

Hình 2.40 Khai báo thông số cho TSG

Hình 2.41.Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 3kA

Hình 2.42 Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 5kA

Hình 2.43 Đáp ứng của mô hình TSG với biên độ xung 20kA

Hình 2.44 đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 10/3350µs 3kA

Hình 2.45 Đáp ứng của mô hình TSG với xung 10/350µs 10kA

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP

Hình 3.1 Các dạng xung sét tiêu chuẩn

Hình 3.2: Sơ đồ mô phỏng MOV hạ thế đơn khối

Trang 19

Hình 3.3: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối Iđm = 4.5KA (TOL =

10%) với xung thử 1.5KA 8/20s

10%) với xung thử 3KA 8/20s

10%) với xung thử 10KA 8/20s

Hình 3.6: Đặc tính Vr-Vn của MOV hạ thế đơn khối 4.5KA, TOL = 10%

Hình 3.7: Đặc tính Vr-Vn của MOV hạ thế đơn khối 8KA, TOL = 10%

Hình 3.12: Mạch điện phân tích của những biến trở ZnO hoạt động song song

Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của hai MOV hạ thế 8KA

Hình 3.14: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng sử dụng hai 8KA (TOL = 5%) với xung 10KA 8/20s

MOV-Hình 3.15: Dòng qua MOV1 và MOV2 khi mô phỏng sử dụng hai MOV-8KA (TOL

= 5%) với xung 10KA 8/20s

= 6%) với xung 10KA 8/20s

= 7%) với xung 10KA 8/20s

= 8%) với xung 10KA 8/20s

= 9%) với xung 10KA 8/20s

Trang 20

MOV-Hình 3.25: Dòng qua MOV1 và MOV2 khi mô phỏng sử dụng hai MOV-8KA(TOL

= 10%) với xung 10KA 8/20s

Hình 3.26: Quan hệ giữa sai số điện áp ngưỡng và hệ số dự trữ với xung thử có biên

độ 10KA, 15KA, 20KA và 25KA

Hình 3.27: Quan hệ giữa sai số điện áp ngưỡng và hệ số dự trữ với xung thử có biên

độ 40KA, 70KA và 100KA

Hình 3.28: Đặc tính Vr-Vn của MOV đa khối 10KA (2xMOV-8KA)

Hình 3.34: Đặc tính Vr-Vn của MOV đa khối 100KA (32xMOV-8KA)

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG

Hình 4.1: Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn

Hình 4.2: Dạng sóng xung gồm tổng của 2 thành phần

Hình 4.3: Đường cong xác định b/a từ tỷ số t2/t1

Hình 4.4: Đường cong xác định at1 từ tỷ số b/a, khi biết t1

Hình 4.5: Đường cong xác định I1/I từ tỷ số b/a, khi biết I1

Hình 4.6: Mô hình toán của xung dòng

Hình 4.7a: Nguồn xung dòng không chu kỳ

Hình 4.7b: Nguồn xung áp không chu kỳ

Hình 4.8: Mô hình nguồn xung dòng và áp không chu kỳ

Hình 4.9a: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng

Hình 4.9b: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp

Hình 4.10: Thông số mô hình nguồn xung dòng

Hình 4.11 Khai báo các thông số yêu cầu

Hình 4.12: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 20kA

Hình 4.13: Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 3kA

Hình 4.14: Thông số mô hình nguồn xung áp

Hình 4.15 Dạng sóng nguôn xung áp 1,2/50 µs biên độ 5kV

Hình 4.16 Dạng sóng nguồn áp 10/700 µs biên độ 5kV

Trang 21

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRONG MẠNG HẠ ÁP

Hình 5.1 Mô hình phối hợp bảo vệ tầng một + bộ lọc sét

Hình 5.2 Điện áp thông qua tải trong trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF với xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 5.3 Điện áp thông qua tải trong trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 150µH, rL = 17m Ω, C = 50µF với xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 5.4 Mô hình phối hợp bảo vệ hai tầng + bộ lọc sét

Hình 5.5 Điện áp thông qua tải trong trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF với xung dòng 20kA 8/20µs,

Hình 5.6 Điện áp thông qua tải trong trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 150µH, rL = 17m Ω, C = 50µF với xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 5.7 Mô hình so sánh MOV – SG - TSG

Hình 5.8 Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 5.10 Mô hình so sánh bảo vệ 2 tầng TMOV, MOV1-MOV2 và MOV2

SG1-Hình 5.11 Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 5.13 Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 3 tầng (TSG1-MOV2-MOV3) Hình 5.14 Các thông số của TSG1

Hình 5.15 Các thông số của MOV2

Hình 5.16 Các thông số của MOV3

Hình 5.17 Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 3 tầng MOV3, xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 5.18 Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 3 tầng MOV3, xung dòng 3kA 8/20µs

TSG1-MOV2-Hình 5.19 Mô hình phối hợp bảo vệ hai tầng và ba tầng

Hình 5.20 Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng MOV1-MOV2

và phối hợp bảo vệ 3 tầng MOV1-MOV2-MOV3, xung dong 8/20us 20 KA Hình 5.21 Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng MOV1-MOV2

và phối hợp bảo vệ 3 tầng MOV1-MOV2-MOV3, xung dong 8/20us 3 KA

Trang 22

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

Trang 23

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

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

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

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

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

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

2 Nguyên nhân hình thành sét:

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

Hình : Cơ bản nguyên nhân hình thành sét

Trang 24

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

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

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

trong đám mây mà ta gọi là chớp

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

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

Trang 25

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

đó một lúc mới nghe thấy tiếng sấm

3 Tính cấp thiết của đề tài

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

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

cố, 50% trong số đó là do sét gây ra

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

Trang 26

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

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

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

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

II MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Mục tiêu của đề tài

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

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

Trang 27

2 Nội dung nghiên cứu

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

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

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

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

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

3 Điểm mới của luận văn

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

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

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

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

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

4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

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

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

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

Trang 28

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

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

4.2 Phương pháp nghiên cứu

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

- Tổng hợp và phân tích tài liệu

- Mô hình hóa & mô phỏng matlab

5 Nội dung luận văn

Luận văn gồm 5 chương:

- Chương mở đầu

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

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

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

áp

- Chương 4: Mô hình máy phát xung sét chuẩn

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

- Chương kết luận

Trang 29

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN

TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP & PHẦN MỀM MATLAB 1.1 GIỚI THIỆU

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

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

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

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

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

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

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

Trang 30

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

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

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

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

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

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

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

Trang 31

1.2 TẦN SUẤT XUẤT HIỆN SÉT

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

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

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

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

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

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

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

Trang 32

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

Hình 1.5 Dạng sóng 10/350µs

1.3.2 Dạng sóng 8/20µs

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

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

Hình 1.7 Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình

Trang 33

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

Hình 1.8 Dạng sóng 8/20µs

1.4 BIÊN ĐỘ XUNG SÉT

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

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

1.4.1 Hiện tƣợng quá độ

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

Trang 34

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

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

- Sét

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

- Sự lan truyền xung thông qua các máy biến áp

- Sự thay đổi tải trong các hệ thống gần kề

- Sự dao động và các xung công suất

- Ngắn mạch hay nổ cầu chì

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

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

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

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

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

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

Trang 35

1.4.2 Tỷ lệ xuất hiện của hiện tƣợng quá độ

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

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

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

exposure” và “high exposure”

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

bảo vệ

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

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

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

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

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

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

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

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

sử dụng tại các vị trí khác nhau trong hệ thống

Trang 36

1.4.3 Hiện tƣợng quá độ tiêu biểu

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

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

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

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

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

Trang 37

1.4.4 Bảo vệ quá độ

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

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

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

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

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

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

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

1.5 Các thiết bị bảo vệ quá áp

1.5.1 Bộ lọc

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

Trang 38

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

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

sẽ dẫn đến đỉnh áp tăng cao

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

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

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

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

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

1.5.2 Máy biến áp cách ly

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

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

1.5.3 Khe hở phóng điện

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

là chống sét van ống phóng khí

Trang 39

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

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

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

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

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

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

Trang 40

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

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

1.5.4 Diod thác Silic

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

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

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

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

1.5.5 Biến trở oxid kim loại (MOV)

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

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

độ của nó

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

Định dạng
Số trang	165
Dung lượng	6,38 MB