Luận văn thạc sỹ: Nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

NGUYỄN HOÀNG MINH

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH

MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT

LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN

HẠ ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

Mã số: 605250

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 4/2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

NGUYỄN HOÀNG MINH

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH

MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT

LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN

HẠ ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện

Mã số: 605250

HDKH: PGS .TS QUYỀN HUY ÁNH

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 4/2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 1 :...

Cán bộ chấm nhận xét 2 :...

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật 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)

1. ..

2. ..

3. ..

4. ..

5. ..

Xác nh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Khoa quản lý chuyên ngành sau khi

luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Khoa quản lý chuyên ngành

TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN HOÀNG MINH Giới tính: Nam

Ngày, tháng năm sinh: 18 /05/ 1975 Nơi sinh: Tp. HCM

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV: 1081031015

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN

TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1. Tổng quan về chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp

2. Nghiên cứu mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn

3. Nghiên cứu mô hình biến trở Oxide kim loại MOV

4. Nghiên cứu mô hình khe phóng điện không khí Spark Gap

5. Nghiên cứu mô hình khe phóng điện tự kích Trigger Spark Gap

6. Lập mô hình, mô phỏng và rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ

chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp.

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/09/2011

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/03/2012.

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)

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 chưa từng được 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

được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Hoàng Minh

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 Trường Đại Học Kỹ thuật Công nghệ Tp.HCM, Phòng Sau

Đại Học Trường Đại Học Kỹ thuật 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.

Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn toàn Ban Giám hiệu Trường Trung cấp

nghề Thủ Đức đã quan tâm, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận

văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể quí Thầy Cô khoa Điện Trường Trung cấp

nghề Thủ Đức động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn.

Xin gởi lời cảm ơn đến toàn thể các bạn học viên lớp Cao học10SMĐ Trường

Đại Học Kỹ thuật Công nghệ Tp.HCM khóa 2010-2012 đã động viên, khích lệ giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên tôi, động viên giúp đỡ tôi.

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Minh

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

(Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học)

I.LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Giới tính: Nam -Họ và tên: NUYỄN HOÀNG MINH

Nơi sinh: Tp.HCM -Ngày,tháng, năm sinh: 18/05/1975

Dân tộc: Kinh -Quê quán: Thủ Đức, Tp.Hồ Chí Minh

-Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 22/29 Kp2, Đường Bình Chiểu, P.Bình Chiểu,

Q.Thủ Đức, Tp.Hồ Chí Minh

-Điện thoại cơ quan: 08.38966888 Điện thoại nhà riêng: 08.38970957

-Fax: Email:minh0908029114@yahoo.com

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1.Trung học chuyên nghiệp:

-Hệ đào tạo:…………………………Thời gian từ…/…….đến……./……….

-Nơi học(trường, thành phố):………………………………………………….

-Ngành học:…………………………………………………………………….

2.Đại học:

-Hệ đào tạo: Tập trung chính quy…Thời gian từ 09/1996 đến 04/2001

-Nơi học (trường, thành phố): Đại học Kỹ thuật Công nghệ Tp.HCM,

Thành phố Hồ Chí Minh.

-Ngành học: Điện công nghiệp

-Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Mạch điện, Cung cấp điện, Lý

thuyết điện tử

-Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 03/2001, Trường Đại học

Kỹ thuật Công nghệ Tp.HCM

-Người hướng dẫn:

3.Thạc sỹ:

-Hệ đào tạo: Tập trung chính quy Thời gian đào tạo từ 07/2010 đến 07 /2012

-Nơi học (trường,thành phố): Đại học Kỹ thuật Công nghệ Tp.HCM,

Tp.Hồ Chí Minh. -Tên luận văn: NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ

CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP

-Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 15/04 /2012 tại Trường ĐH Kỹ thuật Công nghệ

Tp.HCM

-Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh

4.Tiến sĩ:

-Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ………/…..đến…../……

-Tại (trường,thành phố):

-Tên luận án:

-Người hướng dẫn:

-Ngày & nơi bảo vệ :

5.Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh ngữ, trình độ B

6. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật được chính thức cấp; số bằng, ngày &

nơi cấp: Kỹ sư Điện công nghiệp,

Trường ĐH Kỹ thuật Công nghệ Tp.HCM

III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI

Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Trung tâm dạy nghề Q.Thủ

2002-2003

Giáo viên

Đức

Trường Kỹ thuật công

2003-2004

Giáo viên

nghiệp Thủ Đức

Trường Trung cấp nghề

2005-2012

Giáo viên

Thủ Đức

HỌC:

IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 15 tháng 03 năm 2012

HOẶC ĐỊA PHƯƠNG Người khai ký tên Nguyễn Hoàng Minh

i

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Hiện nay, trên thị trường có n hiều 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.

Luận văn này dựa vào thông số điện áp thông qua nhằm đánh giá, so sánh khả

năng bảo vệ của TBBV. Từ đó rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến 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:

1. Tổng quan về bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp.

2. Nghiên cứu mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn.

3. Nghiên cứu mô hình biến trở Oxide kim loại MOV.

4. Nghiên cứu mô hình khe hở phóng điện không khí SG và mô hình khe

hở phóng điện tự kích TSG.

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường

nguồn hạ ap.

6.Kết luận

ii

ABSTRACT

Currently, the marker has many types of lightning protection equipment (LPE)

spread over power lines, protective devices of different manufacturers with various

technologies. The highly effective selection of LPE at the least cost is usually

difficult because manufacturers often provide information which related to product

advantages without the disadvantages mentioned. So it is necessary to recognize

and evaluate the most, important technologies features and remove the most

important information and maybe even misleading in the selection decision is

urgent need. The specifications parameters are reviewed to assess protection

equipment including long-term rate under surge, voltage, pulse value, longevity,

speed of response, ability to dissipate the lightning energy, technology. In the above

parameters, passed voltage parameters is the most important.

This paper is based on the passed voltage parameters in order to evaluate,

compare to the ability protection of LPE. From that draws elements affect lightning

protection on low voltage source to optimize the security features and enhanced

reliability during operation. These factors include: lightning protection technology,

the choice of the protection coordination and the evaluation of assest protective

effect of the clay filter.

Thesis includes the following main contents:

1. Overview of lightning protection spread over low voltage source.

2. Research the standard lightning impulse source model.

3. Research rheostat model MOV (Metal Oxide Varistor)

4. Research the discharge air gap SG (Spark Gap) model and the discharge

gap model it self click TSG (Trigger Spark Gap)

5. Research the elements affect to the lightning protection spread over low

voltage source.

6. Conclusion

iii

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trang i ABSTRACT ............................................................................................... Trang ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................... Trang vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................... Trang viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ..........................................................................Trang ix

CHƯƠNG: MỞ ĐẦU .................................................................................. Trang 1

1. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................. Trang 1

2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN............................. Trang 2

3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................... Trang 3

4. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH .............................................................. Trang 3

5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN ....................................................... Trang 3

6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN ...................................... Trang 4

7. BỐ CỤC LUẬN VĂN ..................................................................... Trang 4

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN

TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP ......................................... Trang 5

1.1. GIỚI THIỆU ................................................................................ Trang 5

1.2 .TẦN SUẤT XUẤT HIỆN SÉT .................................................... Trang 6

1.3. DẠNG XUNG SÉT ..................................................................... Trang 7

1.3.1.Dạng sóng 10/35µs ............................................................... Trang 7

1.3.2.Dạng sóng 8/20µs .................................................................. Trang 8

1.4. BIÊN ĐỘ XUNG SÉT.................................................................. Trang 9

1.5 CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN

ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP .......................................................... Trang 10

1.5.1. Khe phóng điện (Spark Gap) .............................................. Trang 10

1.5.2. MOV (Metal Oxide Varistor) ............................................. Trang 13

1.5.3. SAD (Silicon Avalanche Diode) ........................................ Trang 13

1.5.4. TDS (Transient Discriminating Suppressor) ....................... Trang 14

1.6 CÁC THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG

CẤP NGUỒN HẠ ÁP ................................................................. Trang 15

iv

1.6.1.Thiết bị cắt sét ..................................................................... Trang 15

1.6.2 .Thiết bị lọc sét .................................................................... Trang 16

1.7. CÁC TIÊU CHUẨN TRONG BẢO VỆ QUÁ ÁP...................... Trang 17

1.7.1. Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE .......................................... Trang 17

1.7.2. Bảo vệ quá áp theo IEC ...................................................... Trang 17

1.7.3. Hệ thống bảo vệ chống sét hạ áp ........................................ Trang 19

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT ............................. Trang 22

2.1 GIỚI THIỆU ............................................................................... Trang 22

2.2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB ....................................... Trang 23

2.2.1. Định nghĩa.......................................................................... Trang 23

2.2.2. Cài đặt Matlab .................................................................... Trang 24

2.2.2.1. Yêu cầu của phần mềm ................................................. Trang 24

2.2.2.2. Các bước cài đặt ........................................................... Trang 24

2.2.2.3. Khởi động chương trình Matlab .................................... Trang 24

2.2.3. Các khối sử dụng trong mô hình ......................................... Trang 27

2.2.4. Giới thiệu công cụ Curve Fitting Toolbox .......................... Trang 29

2.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT ............... Trang 34

2.3.1Các dạng xung không chu kỳ chuẩn ..................................... Trang 34

2.3.2 Xây dựng mối liên hệ giữa các thông số trong mô hình ....... Trang 36

2.3.2.1Giữa tỉ số t2/t1 và b/a ..................................................... Trang 37

2.3.2.2 Giữa tỉ số b/a và at1 ...................................................... Trang 40

2.3.2.3.Giữa tỉ số I1/I và b/a ...................................................... Trang 42

2.3.3 Xây dựng mô hình nguồn phát xung .................................... Trang 42

2.3.3.1.Xây dựng sơ đồ khối ..................................................... Trang 42

2.3.3.2 Thực hiện mô phỏng ...................................................... Trang 44

2.4 KẾT LUẬN ................................................................................. Trang 47

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI ......................... Trang 48

3.1 GIỚI THIỆU ............................................................................... Trang 48

3.2 MÔ HÌNH ĐIỆN TRỞ PHI TUYẾN ........................................... Trang 48

v

3.2.1 Mô hình toán ....................................................................... Trang 48

3.2.2 Cấu trúc mô hình ................................................................. Trang 49

3.3 MÔ HÌNH MOV CỦA MATLAB ............................................... Trang 50

3.3.1 Mô hình ............................................................................... Trang 50

3.3.2 Nguyên lý làm việc của mô hình .......................................... Trang52

3.4 MÔ HÌNH MOV HẠ THẾ ......................................................... Trang 53

3.4.1Cấu trúc cơ bản của mô hình MOV hạ thế ............................ Trang 53

3.4.2 Mô hình điện trở phi tuyến trên Matlab .............................. Trang 55

3.4.3 Mô hình MOV hạ thế trên Matlab ...................................... Trang 56

3.4.4 Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với mô hình xung

dòng 8/20µs ................................................................................ Trang 59

3.5 KẾT LUẬN................................................................................. Trang 65

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN

KHÔNG KHÍ .................................................................... Trang 66

4.1. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN

KHÔNG KHÍ SPARK GAP ..................................................... Trang 66

4.1.1.Mô hình Spark Gap đơn giản ............................................... Trang 66

4.1.2. Xây dựng sơ đồ khối mô hình Spark Gap ............................ Trang 68

4.1.3. Mô phỏng mô hình Spark Gap ............................................ Trang 71

4.2. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN TỰ KÍCH TRIGGERED SPARK

GAP .................................................................................................. Trang 78

4.2.1. Mô hình Triggered Spark Gap ............................................. Trang 78

4.2.2. Mô phỏng mô hình Triggered Spark Gap ............................ Trang 79

CHƯƠNG 5: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BẢO VỆ CHỐNG

SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP .............. Trang 84

5.1 GIỚI THIỆU ............................................................................... Trang 84

5.2. CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT...................................................... Trang 85

5.2.1. TBBV sử dụng công nghệ SG ............................................ Trang 86

5.2.2. TBBV sử dụng công nghệ TSG ........................................... Trang 90

vi

5.2.3. TBBV sử dụng công nghệ MOV ......................................... Trang 92

5.2.4. So sánh hiệu quả bảo vệ của công nghệ SG, TSG, MOV ..... Trang 93

5.3. PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP................................................... Trang 96

5.3.1.Phối hợp bảo vệ quá áp hai tầng ........................................... Trang 96

5.3.1.1. Trường hợp 1 (TBBV tầng 1 sử dụng TSG,

tầng 2 sử dụng MOV) .................................................. Trang 97

5.3.1.2. Trường hợp 2 (TBBV tầng 1 sử dụng MOV,

tầng 2 sử dụng MOV2) .................................................. Trang 99

5.3.1.3. Trường hợp 3 (TBBV tầng 1 sử dụng SG,

tầng 2 sử dụng MOV) .................................................. Trang 102

5.3.1.4. So sánh hiệu quả bảo vệ của 3 trường hợp phối hợp bảo vệ

hai tầng ........................................................................ Trang 103

5.3.2. Phối hợp bảo vệ quá áp 3 tầng ........................................... Trang 105

5.3.3. So sánh hiệu quả bảo vệ của hai trường hợp phối hợp bảo vệ

hai tầng và ba tầng ........................................................... Trang 108

5.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT ............................... Trang 109

5.4.1. Trường hợp 1 (bảo vệ một tầng + thiết bị lọc sét) .............. Trang 109

5.4.2. Trường hợp 2 (phối hợp bảo vệ hai tầng +

thiết bị lọc sét).................................................................... Trang112

5.5.NHẬN XÉT .............................................................................. Trang 114

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN ....................................................................... Trang 115

6.1 KẾT LUẬN............................................................................... Trang 115

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ..................................... Trang 117

Tài liệu tham khảo ................................................................................... Trang 118 Phụ lục

vii

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 sư 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

TBBV: Thiết bị bảo vệ

TGS : Trigger Spark Gap: Khe hở phóng điện

TN: Hệ thống nối đất TN

TNC: Hệ thống nối đất TNC

TNS: Hệ thống nối đất TNS

TT: Hệ thống nối đất TT

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

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1.Trạng thái bảo vệ quá áp đối với lưới điện hạ áp ........................... Trang 21

Bảng 3.1.Thông số kỹ thuật MOV hạ thế của hãng siemens ........................ Trang 60

Bảng 3.2. Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV hạ thế của hãng Siemens .... Trang 61

Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật MOV hạ thế của hãng AVX............................ Trang 62

Bảng 3.4. Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV hạ thế của hãng AVX......... Trang 64

Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật MOV hạ thế của hãng Littefuse ...................... Trang 64

Bảng 3.6. Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV hạ thế của hãng Littelfuse . Trang 66

Bảng 5.1. So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp SG, TSG, MOV . Trang 96

Bảng 5.2. So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp

bảo vệ hai tầng .......................................................................... Trang 105

Bảng 5.3. So sánh điện áp thông qua trong 2 trường hơp TSG1-MOV2 và

TSG1-MOV2-MOV3. ................................................................ Trang 109

Bảng 5.4. So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp

bảo vệ một tầng + bộ lọc sét ...................................................... Trang 112

Bảng 5.5.So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp

bảo vệ hai tầng có bộ lọc sét ........................................................ Trang 115

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Dạng sóng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp

(với thời gian ngắn là 1ms) ............................................................. Trang 6

Hình 1.2. Quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ ................................... Trang 6

Hình 1.3. Sét đánh trực tiếp vào kim thu sét trên đỉnh công trình ................... Trang 7

Hình 1.4. Sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không lân cận công trình .... Trang 7

Hình 1.5. Dạng sóng 10/350µs ...................................................................... Trang 8

Hình 1.6. Sét đánh vào đường dây trên không ở vị trí cách xa công trình ....... Trang 8

Hình 1.7. Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình ..................................... Trang 9

Hình 1.8. Dạng sóng 8/20µs .......................................................................... Trang 9

Hình 1.9. Lựa chọn SPD theo mức độ lộ thiên của công trình ..................... Trang 10

Hình 1.10. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSG ................................... Trang 12

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị. ...................................................... Trang 15

Hình 1.12. Tủ phân phối chính với thiết bị chống sét trên đường truyền ...... Trang 15

Hình 1.13. Một số thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn

và đường tín hiệu. ...................................................................... Trang 16

Hình 1.14. Các cấp độ bảo vệ quá áp dựa vào khả năng chịu quá áp

của thiết bị. ................................................................................ Trang 18

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. ................ Trang 20

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. ................. Trang 20

Hình 2.1. Thanh “Start bar” của chương trình Matlab và

các công cụ thuộc thư viện “Simulink”. ....................................... Trang 25

Hình 2.2. Thư viện Simulik trong chương trình Matlab. .............................. Trang 26

Hình 2.3 (a). Thao tác mở cửa sổ làm việc .................................................. Trang 27

Hình 2.3 (b). Cửa sổ làm việc. ..................................................................... Trang 27

Hình 2.4. Giao diện tạo Curve Fitting Toolbox ............................................ Trang 29

Hình 2.5. Cửa sổ Workspace. ...................................................................... Trang 30

Hình 2.6. Cửa sổ Data. ................................................................................ Trang 31

x

Hình 2.7. Cửa sổ Fitting. ............................................................................. Trang 31

Hình 2.8. Đồ thị y= F(x). ............................................................................. Trang 33

Hình 2.9. Cửa sổ Analysis. .......................................................................... Trang 33

Hình 2.10. Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn. ........................................ Trang 34

Hình 2.11. Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần. .......................... Trang 35

Hình 2.12. Đường cong xác định tỉ số b/a. ................................................... Trang 35

Hình 2.13. Đường cong xác định tỉ số at1..................................................... Trang 36

Hình 2.14. Đường cong xác định tỉ số I1/I. ................................................... Trang 36

Hình 2.15. Nhập dữ liệu t2/t1 và b/a. ........................................................... Trang 37

Hình 2.16. Kết quả phân tích ở cửa sổ Analysis. .......................................... Trang 40

Hình 2.17. Nhập dữ liệu b/a (X_at1) và at1. ................................................ Trang 41

Hình 2.18. Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung. ................................................ Trang 43

Hình 2.19. Biểu tượng của mô hình nguồn phát xung. ................................. Trang 43

Hình 2.20. Khai báo các thông số yêu cầu. .................................................. Trang 44

Hình 2.21. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng ............................................ Trang 44

Hình 2.22. Các thông số nguồn xung dòng ................................................. Trang 45

Hình 2.23. dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 20kA ..................... Trang 45

Hình 2.24. Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 3kA ..................... Trang 46

Hình 2.25. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp ................................................ Trang 46

Hình 2.26. Dạng sóng nguôn xung áp 1,2/50 µs biên độ 5kV. ..................... Trang 47

Hình 2.27. Dạng sóng nguồn áp 10/700 µs biên độ 5kV . ............................ Trang 47

Hình 3.1. Mô hình điện trở phi tuyến. ......................................................... Trang 49

Hình 3.2. Biểu tượng mô hình MOV trong chương trình Matlab. ................ Trang 50

Hình 3.3. Quan hệ dòng điện và điện áp của mô hình MOV ........................ Trang 51

Hình 3.4. Hộp thoại của mô hình MOV trong Matlab ................................. Trang 51

Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của mô hình. ...................................................... Trang 52

Hình 3.6. Sơ đồ mạch tương đương của mô hình MOV đề nghị. .................. Trang 53

Hình 3.7. Đặc tinh V-I của MOV co sai số TOL 10% . ................................ Trang 54

Hình 3.8. sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V=f(I) của MOV....................... Trang 55

xi

Hình 3.9. Mô hình MOV hạ thế .................................................................. Trang 56

Hình 3.10. Biểu tượng mô hình MOV hạ thế .............................................. Trang 57

Hình 3.11. Hộp thoại khai báo biến của Parameters của mô hình

MOV hạ thế. ................................................................................................ Trang 57

Hình 3.12. Hộp thoại Initialization của mô hình MOV hạ thế. ..................... Trang 58

Hình 3.13. Hộp thoại thông số của mô hình MOV hạ thế. ............................ Trang 59

Hình 3.14. Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV hạ thế . ............................... Trang 59

Hình 3.15. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi.

mô phỏng MOV B40K275 với xung dòng 8/20µs 5Ka. .............. Trang 60

Hình 3.16.Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi.

mô phỏng MOV B40K275 với xung dòng 8/20µs 10kA ............ Trang 61

Hình 3.17.Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi

mô phỏng MOV VE17M02750K với xung 8/20µs 2kA. ............. Trang 63

Hình 3.18. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi

mô phỏng MOV VE17M02750K với xung 8/20µs 3kA. ............ Trang 63

Hình 3.19. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi

mô phỏng V275LA40A với xung 8/20µs 3kA. .......................... Trang 65

Hình 3.20. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi

mô phỏng V275LA40A với xung 8/20µs 5kA. ........................... Trang 65

Hình 4.1. Mô hình khe hở không khí đề nghị. .............................................. Trang 68

Hình 4.2. Sơ đồ khối điều khiển SC. ............................................................ Trang 69

Hình 4.3. Khai báo các thông số trong Breaker. ........................................... Trang 70

Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng phóng điện khe hở không khí trong MatLab. ..... Trang 71

Hình 4.5. Các thông số cần khai báo cho mô hình Spark Gap. ..................... Trang 71

Hình 4.6. Tạo biểu tượng cho mô hình trong MATLAB. ............................. Trang 72

Hình 4.7. Biểu tượng mô hình khe hở phóng điện không khí Spark Gap. .... Trang 72

Hình 4.8. Sơ đồ mạch mô phỏng Spark Gap với nguồn xung áp. ................. Trang 73

Hình 4.9.Khai báo các thông số của mô hình nguồn xung áp. ...................... Trang 74

Hình 4.10. Khai báo các thông số của mô hình Spark Gap. .......................... Trang 74

xii

Hình 4.11.Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker = 3kA với xung áp

1.2/50µs 5kV. ............................................................................. Trang 75

Hình 4.12. Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker = 3kV với xung áp

10/700µs10kV........................................................................... Trang 76

Hình 4.13. Sơ đồ mạch mô phỏng Spark Gap với nguồn xung dòng. ........... Trang 76

Hình 4.14. Dạng sóng xung dòng 8/20µs 5kA. ............................................ Trang 77

Hình 4.15. Đáp ứng của SG. ........................................................................ Trang 77

Hình 4.16. Dạng sóng xung dòng 10/350µs 5kA. ........................................ Trang 78

Hình 4.17. Đáp ứng của SG. ........................................................................ Trang 78

Hình 4.18. Sơ đồ cấu tạo Triggered Spark Gap với điện trở phi tuyến. ........ Trang 79

Hình 4.19. Sơ đồ khối điều khiển................................................................. Trang 80

Hình 4.20. Sơ đồ cấu tạo của khối điện trở phi tuyến. .................................. Trang 80

Hình 4.21. Sơ đồ mạch mô phỏng đáp ứng của chống sét TSG. ................... Trang 80

Hình 4.22. Khai báo thông số cho TSG........................................................ Trang 81

Hình 4.23. Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 3kA. ............. Trang 81

Hình 4.24. Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 5kA. ............. Trang 82

Hình 4.25. Đáp ứng của mô hình TSG với biên độ xung 20kA .................... Trang 82

Hình 4.26. đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 10/3350µs 3kA ......... Trang 83

Hình 4.27. Đáp ứng của mô hình TSG với xung 10/350µs 10kA ................ Trang 83

Hình 5.1. Các dạng xung sét tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn IEEE 587 .............. Trang 86

Hình 5.2. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ SG ................................ Trang 87

Hình 5.3. Các thông số của nguồn xung động .............................................. Trang 87

Hình 5.4. Các thông số của SG ................................................................... Trang 88

Hình 5.5. Các thông số của tải tiêu thụ ........................................................ Trang 88

Hình 5.6. Các thông số dây dẫn. .................................................................. Trang 89

Hình 5.7. Dạng sóng xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs. ........................... Trang 89

Hình 5.8. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng SG,

xung dòng 20kA 8/20µs ............................................................... Trang 90

Hình 5.9. Dạng xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs....................................... Trang 90

xiii

Hình 5.10. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng SG,

xung dòng 3kA 8/20µs. .............................................................. Trang 91

Hình 5.11. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ TSG. ........................... Trang 91

Hình 5.12. Các thông số của TSG. ............................................................... Trang 91

Hình 5.13. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng TSG,

xung dòng 20kA 8/20µs. ............................................................ Trang 92

Hình 5.14. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng TSG,

xung dòng 3kA 8/20µs. .............................................................. Trang 92

Hình 5.15. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ MOV.......................... Trang 93

Hình 5.16. Các thông số của MOV. ............................................................. Trang 93

Hình 5.17. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng MOV,

xung dòng 20kA 8/20µs ............................................................. Trang 94

Hình 5.18. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng MOV,

xung dòng 3kA 8/20µs. .............................................................. Trang 94

Hình 5.19. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 20kA 8/20µs. ....... Trang 95

Hình 5.20. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 3kA 8/20µs. ......... Trang 95

Hình 5.21. Đường bao đặc tính điện áp đối với thiết bị điện tử nhạy cảm. ... Trang 97

Hình 5.22. Mô hình thử nghiệm phân phối bảo vệ 2 tầng (TSG1 – MOV2). Trang 98

Hình 5.23. Các thông số của TSG1. ............................................................. Trang 98

Hình 5.24. Các thông số của MOV2. ........................................................... Trang 99

Hình 5.25. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ

hai tầng TSG1-MOV2 Xung dòng 20kA 8/20µs. ...................... Trang 99

Hình 5.26. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ

hai tầng TSG1-MOV2, xung dòng 3kA 8/20µs. ....................... Trang 100

Hình 5.27. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ hai tầng (MOV1-MOV2).Trang 100

Hình 5.28. Các thông số của MOV1. ......................................................... Trang 101

Hình 5.29. Các thông số của MOV2. ......................................................... Trang 101

Hình 5.30. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ

hai tầng MOV2-MOV2 xung dòng 20kA 8/20µs...................... Trang 102

xiv

Hình 5.31. Điện áp thông qua tải trường hợp phới hợp

bảo vệ hai tầng MOV1-MOV2 xung . ..................................... Trang 102

Hình 5.32. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ

hai tầng (SG1-MOV2) dòng 3kA 8/20µs. .................................. Trang 103

Hình 5.33. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp

bảo vệ hai tầng SG1-MOV2, xung dòng 20kA 8/20µs. ............. Trang 103

Hình 5.34. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp

bảo vệ hai tầng SG1-MOV2, xung dòng 3kA 8/20µs. ............... Trang 104

Hình 5.35. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 20kA 8/20µs. ..... Trang 104

Hình 5.36. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 3kA 8/20µs. ....... Trang 105

Hình 5.37. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 3 tầng

(TSG1-MOV2-MOV3). ............................................................ Trang 106

Hình 5.38. Các thông số của TSG1. ........................................................... Trang 107

Hình 5.39. Các thông số của MOV2. ......................................................... Trang 107

Hình 5.40. Các thông số của MOV3. ......................................................... Trang 107

Hình 5.41. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ

ba tầng TSG1-MOV2-MOV3 xung dòng 20kA 8/20µs. ........... Trang 108

Hình 5.42. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ

ba tầng TSG1-MOV2-MOV3, xung dòng 3kA 8/20µs. ............ Trang 108

Hình 5.43. Mô hình phối hợp bảo vệ tầng một + bộ lọc sét. ....................... Trang 111

Hình 5.44. 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. ............... Trang 111

Hình 5.45. 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. ................ Trang 112

Hình 5.46. Mô hình phối hợp bảo vệ hai tầng + bộ lọc sét. ........................ Trang 113

Hình 5.47. 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. ............... Trang 114

Hình 5.48. 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. ............... Trang 114

Phụ lục

Các thông số kỹ thuật của thiết bị chống Sét INDELEC

VGA/4 3 pha 380/400V

Loại

Mã

8304

Chế độ điện áp max cho phép

275V/400Hz

Dòng tối đa (sóng 8/20μs) trị đỉnh

100KA

Điện tích

Năng lượng riêng

50AS 2,5 x 106 as

Dòng xung max (sóng 4/10μs)

65KA

Điện áp dư

* Dòng 5KA

<2,5KV

* Dòng Sét

< 4 KV

Cỡ máy bảo vệ trên

100A

Dòng ngắt mạch cho phép

25KA/50Hz

Khoảng nhiệt độ

-400C  +800C

Tiết diện cáp max

50mm2

Tiếp điểm báo khoảng cách

Khe hở 500mA

Tiết diện max dây báo lỗi

25mm2

Chi tiết kỹ thuật thiết bị chống Sét của INDELEC

DG280

Kiểu

Mã

8400

280V/50Hz

Điện áp max cho phép Uc

Dòng phóng điện bình thường (sóng 8/20μs)

15KA

Dòng phóng điện max (sóng 8/20μs)

40KA

Dòng xung max (sóng 4/10μs )

65KA

1,5KV

Mức điện áp Up

<1KV

Điện áp dư

<25ns

Thời gian đáp ứng

Dùng ngắt mạch cho phép

25KA/50 Hz

Khoảng nhiệt độ

-400C  800C

35mm2

Tiết diện cáp max

Các thông số kỹ thuật của thiết bị cắt lọc sét nguồn AC - JISUNG

SYSTECS INC - Hàn Quốc

No STT 1

Description Mô tả Protection Mode Trạng thái bảo vệ

2

Parameters Chỉ tiêu Multi Mode Đa mode “L-N”, “L-G”, “L-L”, “N-G” 80kA/100kA/120kA/160kA/240kA

3

275V-277rms/AC (L-N)

4

Primary Peak Surge Current (8/20 μs) Dòng xung đỉnh sơ cấp (8/20 μs) Maximum Operating Voltage Điện áp làm việc cực đại Maximum Peak Load Current Dòng lọc cực đại

5

30A/40A/60A/80A/100A/125A/ 150A/200A 300Hz ~ 3400Hz

6

≤ 1ns

7

50Hz

Coefficient of noise filter EMI/RFI Dải tần số của bộ lọc Response Time Tốc độ đáp ứng Frequency Tần số làm việc Indication & Superviser

Operating

8

LED

9

10

Available Có NEMA 1

11

system Hệ thống chỉ thị và giám sát vận hành Ability of fighting repeated pulse Khả năng chống xung sét lặp Safety enclose rating Tiêu chuẩn vỏ bảo vệ Design Standard Tiêu chuẩn chế tạo

ANSI/IEEE C62.41 & C62.45 CAT B, CAT C. IEC 61643-1 UL 1449 2nd Edition

Một số dạng thiết bị chống sét lan truyền

1. Surge Protector DS105E (CITEL): DS105E có cơ cấu ngắt nhiệt ở 3 mức,

bảo vệ cho mạng điện áp thấp, đặc biệt cho những khu vực nguy

hiểm do sét lan truyền gây ra quá áp, hoặc ngay cả đánh trực tiếp.

Bảo vệ cho mạng 1 pha (2 x DS105E). Bảo vệ cho mạng 3 pha (4

hoặc 3 x DS105E).

DS105E chịu được dòng sét 140KA, cho xung

8/20µs và 15 KA, cho xung 10/350µs, ngắt bên trong, có bộ hiển thị.

2. Surge Protector DS40D (CITEL): DS40D có cơ cấu ngắt nhiệt ở 3 mức, bảo

vệ qúa áp cho mạng điện sơ cấp 1 và 3 pha + trung tính sơ

cấp tại những tủ phân phối điện chính. Có thể dùng chung

hoặc

riêng cho các pha. Dòng phóng:

In=15kA,

Imax = 40kA. Mỗi module cắm cho mỗi pha.

3. Surge Protector ICS480E (CITEL): Lắp đặt trên hệ

thống đường truyền cable IBM, đặc biệt những cáp loại một ở

lối vào tòa nhà.

4. Thiết bị chống sét trên đường cáp đồng trục: Thiết bị CSP (Coxial Surge

Protector)

 Khả năng tản xung sét 20kA 8/20μs.

 Dãy tần hoạt động: đến 3GHz.

 Tổng trở đặc tính: 50 Ohms.

 Suy hao xen vào và suy hao phản hồi thấp.

 Kiểu đấu nối NMF, BNC, NB.

5. Thiết bị chống sét trên đường tín hiệu công nghiệp:

Thiết bị UTB (Universal Transient Barrier)

 Khả năng tản xung sét: 20kA 8/20μs

 Bảo vệ một đôi dây.

 Bảo vệ đa chế độ.

 Tần số truyền: 0,5÷15MHz.

 Dòng tải cực đại đến 1.5A.

 UTB-SA và UTB TA bảo vệ đường điện thoại và đường modem.

 Đấu nối kiểu vặn ốc.

6. Thiết bị chống sét trên đường truyền tốc độ cao: Thiết bị HSP (High Speed

Protector)

 Khả năng tản xung sét: 20kA 8/20µ s.

 Bảo vệ 10 đôi dây.

 Bảo vệ đa chế độ.

 Tốc độ truyền 8Mb/s hay 12MHz.

 Dòng tải cực đại 150mA.

 Đấu nối kiểu giá krone.

7. Thiết bị chống sét cho mạng máy tính và đường truyền tín hiệu hình

 Khả năng tản xung sét đến 20kA 8/20μs.

 Tần số truyền đến 100Mb/s.

 Suy hao xen vào thấp:<0.2dB.

 LAN RJ45 1 và LAN RJ45 24 bảo vệ

mạng máy tính.

Thông số kỹ thuật MOV hạ thế của một số nhà sản xuất

1. MOV hạ thế của hãng Siemen

2. MOV hạ thế của hãng AVX

3. MOV hạ thế của nhà sản xuất Littelfuse

4. Thiết bị bảo vệ quá áp của nhà sản xuất ABB

Part Numbers List of SPD’s

1

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP STUDY ELEMENTS AFFECT TO PERFORMANCE OF SURGE PROTECTION ON LOW VOLTAGE SYSTEMS Nguyễn Hoàng Minh; Quyền Huy Ánh* Khoa điện – điện tử, Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM, Việt nam * Khoa Điện-Điện Tử, Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM

TÓM TẮT

Bài báo này dựa trên mô hình nguồn phát xung xét [6], mô hình biến trở oxide kim loại (MOV) [3], [6], mô hình khe hở phóng điện không khí (SG) [1], [2], mô hình khe hở phóng điện tự kích (TSG) [2], [5] và thông số điện áp thông qua để mô phỏng, so sánh, đánh giá và rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu bảo vệ chống sét trên đường nguồn hạ áp. Kết quả mô phỏng thu được nhằm tối ưu hóa các tính năng bảo vệ của các thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền (TBBV) và nâng cao độ tin cậy trong quá trình vận hành.

ABSTRACT

This paper bases on the lightning generator [6], source model the metal oxide varistor model (MOV) [3], [6], t h e spark air gap (SG) [1], [2], the triggered spark gap model (TSG) [2], [5] and parameter of passed voltage to simulate, evaluate and take out the elements wich affect to performance of lightning protection the on low voltage systems. These simulating are to maximize protection features of the preading over protection devices (SPDs), and improve reliability o f operation. I. GIỚI THIỆU

áp thông qua là quan trọng nhất. Bài báo này dựa vào thông số điện áp thông qua nhằm đánh giá, so sánh khả năng bảo vệ của các TBBV.

II. N Ộ I D U N G 1. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BẢO VỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP

1.1 Công nghệ chế tạo TBBV

Mô hình thử nghiệm được sử dụng trong bài báo là một tòa nhà cao tầng. TBBV được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà (Cat C) lần lượt sử dụng các công nghệ SG, TSG và MOV. Vị trí tủ phân phối chính cách tải tiêu thụ 10m.

Hiện nay, trên thị trường có nhiều 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 TBBV 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

2

1.2. Phối hợp bảo vệ quá áp hai tầng

TBBV tầng một được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà (Cat C) lần lượt sử dụng các công nghệ SG, TSG và MOV. TBBV tầng hai được đặt ở tủ phân phối phụ (Cat B) sử dụng công nghệ MOV. Tải tiêu thụ cách TBBV tầng hai một khoảng 10m và cách TBBV tầng một 20m.

Hình 1. Mô hình so sánh công nghệ chế tạo TBBV

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µ s, đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp thông qua và thời gian được trình bày ở Hình 2.

Hình 3. Mô hình phối hợp bảo vệ hai tầng

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µ s, đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp thông qua và thời gian được trình bày ở Hình 4.

Hình 2. Điện áp thông qua theo thời gian Kết quả mô phỏng điện áp thông qua trong ba trường hợp TBBV sử dụng công nghệ SG, TSG, MOV sau khi thực hiện với nhiều xung sét tiêu chuẩn khác nhau được trình bày ở Bảng 1 1.

Điện áp thông qua (V)

Xung sét tiêu chuẩn

Hình 4. Điện áp thông qua theo thời gian trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng

SG

TSG

MOV

3075

1516

913

3kA 8/20s

3716

1556

1390

20kA 8/20s

1732

1389

20kA 10/350s

Điện áp thông qua (V)

3548 Bảng 1. So sánh điện áp thông qua

Kết quả mô phỏng điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng khi thực hiện với nhiều xung sét tiêu chuẩn khác nhau được trình bày ở Bảng 2. Xung sét tiêu chuẩn

TSG1- MOV2

SG1- MOV2

MOV1- MOV2

754

785

795

3kA 8/20s

554

997

947

20kA 8/20s

1000

1022

512 20kA 10/350s Bảng 2. Điện áp thông qua khi phối hợp bảo vệ hai tầng

Điện áp thông qua trong trường hợp TBBV sử dụng công nghệ MOV luôn thấp hơn hai trường hợp còn lại. Điện áp thông qua này đủ để bảo vệ hệ thống cơ điện, hệ thống lạnh, hệ thống chiếu sáng. Tuy nhiên, với điện áp này vẫn chưa có khả năng bảo vệ hệ thống máy tính, hệ thống thiết bị điện tử nhạy cảm. Để có thể bảo vệ tốt những hệ thống này, cần phải có sự phối hợp bảo vệ giữa các TBBV hoặc sử dụng thêm thiết bị lọc sét.

Điện áp thông qua trong trường hợp TBBV tầng một sử dụng công nghệ TSG, TBBV tầng

3

phối hợp bảo vệ ba tầng luôn thấp hơn điện áp thông qua trong trường hợp phối hợp bảo vệ quá áp hai tầng. Như vậy, với sự phối hợp bảo vệ ba tầng có thể bảo vệ những thiết bị điện tử nhạy cảm kể cả những thiết bị mang tính chất quan trọng với xác suất xảy ra hư hỏng do sét lan truyền trên đường cấp nguồn là cực nhỏ.

1.4. Phối hợp bảo vệ giữa thiết bị cắt sét và thiết bị lọc sét (SFR)

2 sử dụng công nghệ MOV luôn thấp hơn hai trường hợp còn lại. Điện áp thông qua này tồn tại trong thời gian rất ngắn khoảng 0.1µs. Do đó, các thiết bị trong tòa nhà kể các thiết bị điện tử nhạy cảm có thể được bảo vệ một cách an toàn. Tuy nhiên đối với các thiết bị mang tính chất quan trọng, yêu cầu xác suất xảy ra hư hỏng do các xung quá áp do sét lan truyền trên đường dây cấp nguồn là cực nhỏ thì cần phải có phương án bảo vệ tối ưu hơn. Nhưng nếu sử dụng các phương án này về chi phí lắp đặt, vận hành, sửa chữa sẽ tốn kém hơn. Phương án mới đó là phối hợp bảo vệ quá áp ba tầng hoặc phối hợp giữa thiết bị cắt sét và lọc sét. 1.3. Phối hợp bảo vệ quá áp ba tầng

Thiết bị cắt sét được đặt tại một vị trí (Cat C) tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà, sử dụng công nghệ MOV. Vị trí tải tiêu thụ đặt cách tủ phân phối chính 10m. Sử dụng SFR trong hai trường hợp: L = 30µH, rL=1.7m, C = 50µF và L = 150µH, rL=17m, C = 50µF.

TBBV tầng một được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà (Cat C) lần lượt sử dụng các công nghệ SG, TSG và MOV. TBBV tầng hai được đặt ở tủ phân phối phụ (Cat B) sử dụng công nghệ MOV. TBBV tầng ba đặt tại tủ điều khiển tải tiêu phụ (Cat A) sử dụng công nghệ MOV. Tải tiêu thụ cách TBBV tầng ba 10m, cách TBBV tầng hai 20m, cách TBBV tầng một 30m.

Hình 5. Mô hình phối hợp bảo vệ ba tầng

Kết quả mô phỏng điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ ba tầng khi thực hiện với nhiều xung sét tiêu chuẩn khác nhau được trình bày ở Bảng 3.

Điện áp thông qua (V)

Hình 7. Điện áp thông qua theo thời gian trường hợp có sử dụng SFR

Kết quả mô phỏng điện áp thông qua trong

Xung sét tiêu chuẩn

TSG1- MOV2- MOV3

SG1- MOV2- MOV3

MOV1- MOV2- MOV3

729

736

747

3kA 8/20s

506

756

823

20kA 8/20s

Điện áp thông qua (V)

trường hợp phối hợp giữa thiết bị cắt sét và SFR khi thực hiện với nhiều xung sét tiêu chuẩn khác nhau được trình bày ở Bảng 4.

755

20kA 10/350s

MOV+SFR

Xung sét tiêu chuẩn

MOV+SFR

L = 150µ H

L = 30µ H

881 461 Bảng 3. Điện áp thông qua khi phối hợp bảo vệ ba tầng

316

193

3kA 8/20s

725

20kA 8/20s

417 Bảng 4. Điện áp thông qua khi phối hợpgiữa thiết bị cắt sét và SFR

Điện áp thông qua trong trường hợp có sử

Điện áp thông qua trong trường hợp phối hợp bảo vệ ba tầng TBBV tầng một sử dụng công nghệ TSG, TBBV tầng hai sử dụng công nghệ MOV, TBBV tầng ba sử dụng công nghệ MOV luôn thấp hơn hai trường hợp còn lại. Điện áp thông qua trong trường hợp

4

những kết quả mô phỏng, rút ra được các yếu tố ảnh hưởng sau đây:

1. Việc đặt TBBV sử dụng công nghệ SG, TSG hoặc MOV tại vị trí tủ phân phối chính để bảo vệ toàn bộ tòa nhà thì có thể bảo vệ hệ thống cơ đện, hệ thống chiếu sáng, hệ thống lạnh nhưng không thể bảo vệ những thiết bị điện tử nhạy cảm.

dụng bộ lọc sét giảm đi đáng kễ so với trường hợp không sử dụng bộ lọc sét. Khi bộ lọc sét có giá trị cảm kháng càng lớn thì khả năng lọc của bộ lọc sét càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp. Điện dung của bộ lọc trong thực tế thường là 50µ F, muốn tăng khả năng lọc sét của bộ lọc thì phải tăng cảm kháng L, trong thực tế giá trị L= 15µ H, 30µ H, 45µ H…Vì vậy để an toàn cho thiết bị nhạy cảm, thì phải tăng cảm kháng L lên đáng kể, nhưng phải đảm bảo điện áp rơi trên L (UL = (ZL + rL).I ≤

3V).

2. Phối hợp bảo vệ quá áp hai tầng với TBBV tầng một sử dụng công nghệ TSG và TBBV tầng hai sử dụng công nghệ MOV có thể bảo vệ cho những thiết bị điện tử nhạy cảm.

III. KẾT LUẬN

3. Muốn bảo vệ cho những thiết bị điện tử nhạy cảm mang tính chất quan trọng thì sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp ba tầng hoặc phối hợp giữa thiết bị cắt sét và thiết bị lọc sét.

Bài báo đi sâu nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlap. Từ việc phân tích và đánh giá

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. C.Basso, ”Spark Gap Modeling”, Intusof Newsletter, September 1997.

[2]. Mai Thanh Sơn – Luận văn thạc sĩ – So sánh hiệu quả bảo vệ quá điện áp hai tầng và ba

tầng trên đường nguồn hạ áp – 2009.

[3]. Nguyễn Hoàng Minh Vũ – Luận văn Thạc sĩ – Lập mô hình mô phỏng các phần tử phi

tuyến của thiết bị chống sét hiện đại trên đường cấp nguồn hạ áp và đường tín hiệu – 2003.

[4]. Quyền Huy Ánh – Mô hình thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp – Tạp chí

khoa học và công nghệ - 2003.

[5]. Quyền Huy Ánh – Khe phóng điện tự kích – TSG (Trigger Spark Gap) – Tập san Sư

Phạm Kỹ Thuật số 13.

[6]. Trần Tùng Giang – Luận văn Thạc sĩ – Xây dựng mô hình máy phát xung hổn hợp và

biến trở phi tuyến hạ áp – 2003.

[7]. Phạm Phong Vũ – Luận văn thạc sĩ – Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống

sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp – 2009.

1

CHƯƠNG

MỞ ĐẦU

1.ĐẶT VẤN ĐỀ:

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.

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. 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.

2

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 bỏa 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.

2.MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN

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:

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

tiêu chuẩn.

- Nghiên cứu cấu tạo và mô hình biến trở Oxide kim loại MOV (Metal Oxide

Varistor).

- Nghiên cứu cấu tạo và mô hình khe hở phóng điện không khí Spark Gap.

- Nghiên cứu cấu tạo và mô hình khe hở phóng điện tự kích Trigger Spark

Gap.

- Lập mô hình so sánh hiệu quả bảo vệ của các thiết bị cắt sét sử dụng các

công nghệ khác nhau.

- Lập mô hình lựa chọn phối hợp bảo vệ của các thiết bị chống quá áp.

- L ập mô hình đánh giá ảnh hưởng của thiết bị lọc sét.

3

- So sánh đánh giá và rút ra kết luận.

3.PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu cấu tạo, tính năng, phối hợp bảo vệ của các thiết bị chống sét lan

truyền trên đường nguồn hạ áp.

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

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

- Mô hình thử nghiệm là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành.

4.CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

- Thu thập, chọn lọc tài liệu liên quan cần thiết.

- Tổng hợp và phân tích các tài liệu sau khi đã chọn lọc.

- Khảo sát các ứng dụng bổ trợ của phần mềm dự kiến thực hiện.

- Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét trong và ngoài nước.

- Khảo sát các dạng thiết bị chống sét lan truyền.

- Nghiên cứu cấu tạo, các phần tử cấu thành thiết bị chống sét lan truyền hạ áp.

- Nghiên cứu mô hình đơn giản phần tử SG (Spark Gap).

- Nghiên cứu mô hình phần tử MOV (Metal Oxide Varistor).

- Nghiên cứu mô hình phần tử Trigger Spark Gap).

- Lập mô hình mô phỏng.

- Đánh giá, kết luận, rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống

sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp.

5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN

- Lập mô hình so sánh hiệu quả bảo vệ của các thiết bị cắt sét sử dụng công

nghệ khác nhau.

- Lập mô hình phối hợp bảo vệ của các thiết bị chống quá áp.

- Lập mô hình đánh giá ảnh hưởng thiết bị lọc sét.

4

6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN

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

- Kết quả nghiên cứu phần nào đáp ứng công tác nghiên cứu lựa chọn, phối

hợp và kiểm tra hiệu quả các thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường

nguồn hạ áp một cách chính xác trong điều kiện thiếu phòng thí nghiệm như

hiện nay.

- Cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho những ai quan tâm đến việc

nghiên cứu đáp ứng của thiết bị chống sét dưới tác dụng của xung sét lan

truyền và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống sét lan truyền trong

các công trình.

- Tối ưu hóa các tính năng bảo vệ của thiết bị chống sét và nâng cao độ tin cậy

trong quá trình vận hành đối với việc bảo vệ chống sét lan truyền trên đường

nguồn hạ áp cho một tòa nhà cao tầng.

- Đề tài có khả năng phát triển những cấp nghiên cứu cao hơn trong điều kiện

cho phép.

7. BỐ CỤC LUẬN VĂN

Chương Mở đầu

Chương 1: Tổng quan chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp.

Chương 2: Mô hình nguồn phát xung sét.

Chương 3: Mô hình biến trở Oxide kim loại MOV.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí.

Chương 5: Các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường

nguồn hạ áp.

Chương Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

5

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN

TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP

1.1. GIỚI THIỆU

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 sóng

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.

6

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.

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.

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

Giá trị đỉnh dòng sét kA

7

-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.)

1.3. DẠNG XUNG SÉT

Dạng xung sét phụ thuộc vào cách thức sét tác động vào đường dây tải điện

hay đường tín hiệu.

1.3.1Dạng sóng 10/35µs

Dạng sóng 10/35µs thường là xung sét lan truyền do sét đánh trực tiếp vào

đường dây trên không lân cận công trình hoặc đánh trực tiếp vào kim thu sét

Hình 1.3. Sét đánh trực tiếp vào kim thu

Hình 1.4. Sét đánh trực tiếp vào đường dây

sét trên đỉnh công trình

trên không lân cận công trình

trên đỉnh công trình.

Dạng sóng 10/350 µs được biểu diễn trong Hình 1.5.

8

Hình 1.5. Dạng sóng 10/350µs

1.3.2Dạng 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

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

trí gần công trình

9

Hình 1.7. Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình

Hình 1.8. Dạng sóng 8/20µs

Dạng sóng 8/20µs được biểu diễn trong Hình 1.8.

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.

10

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

1.5 CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ

ÁP

1.5.1Khe phóng điện (Spark Gap)

Khe phóng điện được cấu tạo bởi hai bản kim loại cứng cố định ở một

khoảng cách định trước. Một điện cực được nối với mạng điện, còn điện cực

kia được nối với đất. Không khí giữa hai cực sẽ bị ion hóa tại một điện áp khe

hở giữa hai điện cực. Hiện tượng không khí bị ion hóa tạo ra một trở kháng

thấp giữa hai bản cực.

Điện áp đánh thủng phụ thuộc vào độ ẩm của không khí cho nên khe

phóng điện được sử dụng chính ở mạng điện có điện áp cao mà ở đó không

đòi hỏi độ chính xác cao. Khe phóng điện có vỏ bọc là thủy tinh hoặc kim loại,

bởi vì không khí bị ion hóa đòi hỏi phải có thời gian nên thực tế điện áp phóng

điện của khe hở phụ thuộc vào sự biến thiên của điện áp. Chẳng hạn, một thiết

bị điện được thiết kế với cấp điện áp là 120V thì có thể hoạt động ở điện áp

2200V. Khe phóng điện có khả năng tản sét cao, đến hàng 100kA.

11

Khi có xung sét chạy trên đường dây gây nên sự chênh lệch điện áp giữa

hai điện cực đủ lớn làm cho khe hở phóng điện hoạt động và truyền dẫn năng

lượng xuống đất.

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

nhiên, nhược điểm chính của khe phóng điện là điện áp ngưỡng, điện áp dư

cao và thời gian tác động chậm.

Để tăng cường khả năng dập tắt hồ quang và tốc độ tự hồi phục, khe phóng

điện cải tiến có cấu tạo hỗn hợp gồm khe nối tiếp với điện trở phi tuyến và

được đặt trong vỏ kín. Tuy nhiên, do khả năng chịu dòng của điện trở phi

tuyến là có hạn nên sẽ giới hạn khả năng tản dòng sét biên độ lớn, vốn vẫn là

ưu điểm của khe phóng điện so với các thiết bị chống sét loại khác.

Công nghệ này cho phép chế tạo các khe phóng điện, đạt yêu cầu về năng

lượng tản sét và điện áp dư thấp khi hồ quang được thành lập. Tuy nhiên,

chúng cũng còn có hai nhược điểm:

- Điện áp kích hoạt cao và giảm không đáng kể khi thay đổi khoảng cách

giữa các điện cực. Giá trị điện áp kích hoạt của khe phóng điện vào khoảng

2500 – 3500V, sẽ gây ra các vấn đề cho các thiết bị bảo vệ thứ cấp nằm ở

phía tải. Thiết bị bảo vệ thứ cấp thường là loại có điện áp kẹp thấp hơn điện

áp phóng điện của khe và khả năng tản sét nhỏ. Điều này sẽ giữ cho khe

phóng điện không vận hành, thiết bị thứ cấp nhanh chống bị phá hủy và hầu

hết năng lượng đi vào tòa nhà.

- Khe phóng điện có dòng tự duy trì cao, mặc dù điều này đã được chú ý và

từng bước cải thiện trong tương lai. Dòng tự duy trì cao gây cho điện cực

mau hư hỏng và làm giảm tuổi thọ của khe hở phóng điện. Trong thiết kế,

các thông số của khe phóng điện điện áp thấp, vấn đề điện cực được quan

tâm đặc biệt. Khe phóng điện được thiết kế để có thể làm việc từ 10 đến 30

lần trong một năm. Gần đây xuất hiện loại khe hở phóng điện tự kích TSG

(Triggered Spark Gap - TSG). Đây là loại khe hở phóng điện tiên tiến nhất

hiện nay, với các tính năng vượt trội như sau:

12

- Cung cấp điện áp dư ở mức thấp gần với các sản phẩm cắt sét – có cấu tạo

trên cơ sở các MOV, nhưng có khả năng tản sét cao hơn.

- Khắc phục được nhược điểm điện áp phóng điện khởi đầu cao, điện áp dư

lớn và dòng tự duy trì kéo dài ở khe phóng điện truyền thống.

- Điện áp kích hoạt thấp (khoảng 500V) cho phép TSG vận hành với rất

nhiều xung đột biến, bao gồm cả các xung do đóng cắt mạch.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSG (Hình 1.10) bao gồm:

- Sừng phóng điện đảm bảo khả năng tản dòng sét cường độ cao.

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

quang phóng điện đi vào các khe, hồ quang bị phân nhỏ và dễ dàng bị dập

tắt.

- Hệ thống kích bao gồm mạch kích và cực kích. Hệ thống này có chức

năng kích hoạt phóng điện chính bằng cách tạo ra phóng điện mồi khi cảm

nhận xung quá áp ngang qua mạch kích vượt quá 500V. Phóng điện mồi sẽ

phát triển thành phóng điện chính giữa hai sừng phóng điện và xung quá áp

Hình 1.10. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSG

bị kẹp bởi phóng điện hồ quang.

13

1.5.2. MOV (Metal Oxide Varistor)

Công nghệ này sử dụng các phiến Oxide kim loại (MOV) làm phần tử tản

sét vì các MOV có các ưu điểm vượt trội như: hệ số phi tuyến cao, dòng rò

nhỏ, khả năng tản sét tốt (từ vài chục đến vài trăm kA), thời gian đáp ứng

nhanh (<25ns) và giá trị điện dung nội tại nhỏ. Nhưng công nghệ này đòi hỏi

chế độ lắp đặt và vận hành nghiêm ngặt như: điện áp mạng phải ổn định, hạn

chế sử dụng khi tải là các máy hàn, các UPS hay nguồn là các máy phát điện

có chất lượng không cao,…. Sở dĩ có các điều kiện này là do khi trong mạng

xuất hiện các xung đỉnh nhọn có tần số công nghiệp, hay các quá áp tạm thời

vượt quá giá trị điện áp ngưỡng của MOV thì các thiết bị chống sét sẽ hoạt

động bất kể nguyên do từ đâu và sẽ cắt liên tục 100 lần trong một chu kỳ. Việc

này dẫn đến MOV bị quá nhiệt, phát cháy hay làm giảm tuổi thọ. Một số nhà

chế tạo khắc phục nhược điểm này của MOV bằng cách mắc nối tiếp với các

MOV công tắt cảm biến nhiệt. Khi các MOV bị quá nhiệt thì các công tắt này

sẽ tác động cách ly MOV ra khỏi mạng. Nhưng nếu trong thời gian này xuất

hiện sét thì thiết bị bảo vệ sẽ hư hỏng vì không được bảo vệ. Phạm vi sử dụng

của các thiết bị chống sét chế tạo theo công nghệ MOV là bảo vệ chống sét lan

truyền trên đường cấp nguồn ở các mạng điện có chất lượng điện áp cao.

1.5.3. SAD (Silicon Avalanche Diode)

Công nghệ này sử dụng các Avalanche Diode làm phần tử tản sét. Các

diode này có ưu điểm là thời gian tác động rất nhanh (<1ns), tuổi thọ cao.

Nhưng có nhược điểm là khả năng tản dòng sét nhỏ (<3kA). Để nâng cao khả

năng tản sét và điện áp chịu đựng, các nhà chế tạo phải ghép tổ hợp nhiều

diode song song và nối tiếp, do đó giá thành rất cao. Thông thường các thiết bị

chống sét theo công nghệ SAD chỉ sử dụng để bảo vệ cho các thiết bị đặt sâu

trong nhà, công suất nhỏ và không thể dùng làm bảo vệ chính (các tải quan

trọng).

14

1.5.4. TDS (Transient Discriminating Suppressor)

Khác với các thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn, được sản

xuất với công nghệ truyền thống, hoạt động theo nguyên tắc biên độ, tức là

phản ứng với tất cả xung quá áp có biên độ vượt quá ngưỡng điện áp tác động

(thường là 275Vrms), thiết bị chống sét sản xuất theo công nghệ tiên tiến

TDS, hoạt động theo nguyên tắc tần số, và thực hiện đúng chức năng chống

sét được giao phó, tức là chỉ phản ứng khi xuất hiện xung sét cảm ứng trên cơ

sở phân biệt tần số xung quá áp do sét lan truyền (khoảng 1MHz) và xung quá

áp do các nguyên do khác (khoảng 50Hz). Điều này cho phép thiết bị chống

sét theo công nghệ tiên tiến TDS có ưu điểm vượt trội như sau:

- Thông minh phân biệt sét và các quá áp do các nguyên nhân khác.

- Khả năng chịu quá áp tạm thời cao, tuổi thọ cao.

- Thời gian đáp ứng nhanh (<1ns).

- Cung cấp bảo vệ hiệu quả, ngay trong mạng có chất lượng điện áp thấp.

- Không đòi hỏi các điều kiện lắp đặt và vận hành nghiêm ngặt như thiết bị

chế tạo theo công nghệ truyền thống MOV.

Để đạt được hiệu quả và tính năng bảo vệ vượt trội, thiết bị TDS sử dụng

công nghệ tổng hợp bao gồm cả ba công nghệ SAD, Gas Aresster và MOV.

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị TDS trình bày như hình 1.11.

Công tắc tác động nhanh hoạt động theo nguyên tắc tần số. Công tắc này sẽ

tác động khi xung sét xuất hiện nhưng sẽ không tác động khi xuất hiện quá áp

tạm thời.

Trong 10ns đầu tiên khi xung sét xuất hiện, dãy SAD sẽ tác động nhằm

giảm bớt độ dốc đầu sóng của xung sét, góp phần làm giảm điện áp thông qua.

Trong thời gian khoảng 10ns tiếp theo, công tắc tác động nhanh tác động

đóng dãy MOV vào mạch và tản hầu hết năng lượng sét xuống đất.

15

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị

1.6 CÁC THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP

NGUỒN HẠ ÁP

1.6.1Thiết bị cắt sét

Được mắc song song với tải, thiết bị này có nhiệm vụ tản năng lượng sét

vào đất. khi mạng điện hoạt động bình thường, thiết bị cắt sét là một điện trở

có tổng trở rất lớn, nhưng lúc xuất hiện xung sét trên đường dây gây nên sự

chênh lệch điện áp trên hai đầu thiết bị, nếu điện áp chênh lệch này vượt quá

điện áp ngưỡng sẽ làm cho thiết bị hoạt động và dẫn phần lớn năng sét vào

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

đất.

16

Do thiết bị cắt sét chỉ có khả năng tiêu tán năng lượng sét và giới hạn điện

áp mà không có khả năng giảm tốc độ biến thiên dòng sét di/dt và tốc độ biến

thiên điện áp sét dV/dt. Chính tốc độ tăng dòng và tăng áp này là nguyên nhân

gây hư hỏng các thiết bị điện nhạy cảm. Vì vậy, cần phải mắc thêm một thiết

bị lọc sét vào phía sau thiết bị cắt sét nhằm đưa ra mức điện áp và tốc độ biến

thiên dòng, áp thích hợp cho các loại thiết bị điện.

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

1.6.2 .Thiết bị lọc sét

Thiết bị lọc sét này được mắc nối tiếp với tải hoạt động của thiết bị là cho

ra mức điện áp thích hợp với hầu hết các thiết bị điện, giảm điện áp dư sau khi

đã qua thiết bị cắt sét, đảm bảo biên độ điện áp giảm qua thiết bị luôn nằm

trong giới hạn cho phép (230V) và giảm khoảng 1000 lần tốc độ tăng áp, tăng

dòng của sét vào thiết bị. Thiết bị lọc sét còn hiệu chỉnh tốc độ biến thiên dòng

điện và biến thiên điện áp của các dạng quá áp ở mức chấp nhận được.

Cáp vào ra khỏi bộ lọc (cả dây nối đất) nên được tách riêng với nhau một

khoảng cách tối thiểu 300mm. Điều này sẽ ngăn bất kỳ các quá độ đi vào cáp

vào cảm ứng sang cáp ra (cáp sạch). Nếu không gian lắp đặt không cho phép

17

nên đặt hai dây cáp này thẳng góc với nhau và không được nằm song song với

nhau.

1.7. CÁC TIÊU CHUẨN TRONG BẢO VỆ QUÁ ÁP

Với sự phát triển của thiết bị điện tử, thiết bị điện và điện tử dựa trên mạch

điện bán dẫn và bộ vi xử lý được sử dụng rộng rãi. Những thiết bị điện và điện tử

tiên tiến này có khả năng chịu được dung lượng xung sét yếu. Việc xuất hiện

xung sét trong hệ thống nguồn cấp điện sẽ gây ra sự cố hoặc phá hủy các thiết bị

này. Quá điện áp thay đổi khác nhau sinh ra bởi sét đánh và việc đóng cắt có tải

là nguồn gốc chính của sự cố.

Kết quả của việc quá áp hệ thống luôn luôn sinh ra từ sét đánh, nhưng nó lại

không phải là kết quả từ việc sét đánh trực tiếp. Thật ra, sự nguy hiểm của hầu

hết thiết bị là do xung sét cảm ứng chạy dọc theo ống dẫn kim loại, cáp điện và

các hệ thống đấu nối chung với hệ thống nối đất.

Do đó, các thiết bị bảo vệ chống sét được sử dụng rộng rãi ở hệ thống phân

phối hạ thế để chống lại sự ảnh hưởng của xung sét gây ra. Việc lắp đặt và cấu

hình của các thiết bị chống sét có liên quan đến xung sét trong những vùng khác

nhau tùy theo vào loại cấp vị trí của ANSI/IEEE Std. C62.41-1991 và cấp lắp đặt

của IEC60664-1.

1.7.1. Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE

Theo ANSI/IEEE Std. C62.41-1991 định nghĩa có ba mức độ quá điện áp

ở các công trình dựa trên các cấp vị trí như sau:

- Cấp C là vị trí của bên ngoài và đường nguồn hạ áp cấp điện cho tòa nhà.

- Cấp B là cấp vị trí của đường dây cáp ngầm và mạch điện nhánh ngắn.

- Cấp A là cấp vị trí lối ra và mạch điện nhánh dài, dài hơn 10m so với cấp

B hoặc dài hơn 20m so với cấp C.

1.7.2. Bảo vệ quá áp theo IEC

Theo IEC60664-1, có bốn mức quá độ điện áp được định nghĩa dựa trên

cấp lắp đặt.

18

Quá điện áp loại IV dành cho thiết bị sử dụng ở ngõ vào tòa nhà (đường

nguồn hạ áp) như đồng hồ điện, thiết bị công nghiệp và thiết bị bảo vệ quá

dòng sơ cấp. Thiết bị chịu được điện áp <6000V.

Quá điện áp cấp III dành cho thiết bị ở tủ điện chính và cho trường hợp

mà ở đó độ tin cậy và tính sẵn sàng của thiết bị phụ thuộc vào những yêu cầu

đặc biệt như các công tắc ở tủ điện chính. Thiết bị này chịu được điện áp

<4000V.

Quá điện áp loại II dành cho thiết bị tiêu thụ điện từ tủ điện chính như

thiết bị, dụng cụ di động và thiết bị gia đình. Ở thiết bị này thường chịu được

điện áp <2500V.

Quá điện áp loại I dành cho thiết bị nối với mạch điện mà sự đo lường

được đưa vào để giới hạn quá điện áp tạm thời ở mức thấp thích hợp như mạch

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

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

19

1.7.3. Hệ thống bảo vệ chống sét hạ áp

Để bảo vệ quá áp cho các thiết bị dùng điện trong nhà, người ta thực hiện

lắp đặt các thiết bị chống sét theo các mạng khác nhau nhằm bảo vệ một cách

có hiệu quả các thiết bị dùng điện.

Cấu trúc hệ thống bảo vệ quá áp trong mạng hạ áp phải tuân thủ theo các

yêu cầu khác nhau, cụ thể tùy thuộc vào:

- Số lượng thiết bị, loại thiết bị bảo vệ quá áp, cách bố trí lắp đặt,…

- Lắp đặt thiết bị bảo vệ sao cho giới hạn quá áp phù hợp với mức cách

điện xung của thiết bị được bảo vệ.

- Khả năng chịu dòng ngắn mạch của thiết bị bảo vệ quá áp phải lớn hơn

giá trị dòng ngắn mạch có thể xuất hiện tại vị trí lắp đặt.

- Khoảng cách giữa các thiết bị bảo vệ và thiết bị được bảo vệ.

- Đối với mạng điện 1 pha, 3 pha hạ áp thông thường thiết bị bảo vệ quá

áp được lắp đặt theo các trường hợp sau: (Hình 1.15a, 1.15b).

20

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

21

Từ cách bố trí, lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp, cấu trúc hệ thống bảo vệ quá

Bảng 1.1. Trạng thái bảo vệ quá áp đối với lưới điện hạ áp

áp đa cấp được trình bày qua Bảng 1.1.

Mạng trung tính cách ly (trung tính máy biến áp cách ly với đất)

- DM (Differential Mode): Trạng thái này thiết bị bảo vệ quá áp được đặt

giữa dây pha và dây trung tính của lưới điện.

- CM (Common Mode): Trạng thái mà thiết bị bảo vệ được lắp đặt giữa

dây pha và dây bảo vệ nối đất (PE), giữa dây trung tính và dây PE, giữa dây

pha và dây PEN.

22

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT

2.1 GIỚI THIỆU

Ngày nay, trên mạng phân phối hạ áp, các thiết bị điện tử sử dụng ngày càng

nhiều với các tính năng ngày càng tiến bộ hơn nhưng bên cạch đó chúng lại cũng dễ

hư hỏng hơn bởi các xung quá áp quá độ. Một giải pháp hiệu quả để thiết kế các

mạch bảo vệ quá áp hiệu quả là sử dụng kỹ thuật mô phỏng của máy tính, lập mô

hình các nguồn phát xung và mô hình các phần tử bảo vệ, sau đó chạy mô phỏng

mạch để từ các kết quả thu được tiến hành phân tích đánh giá hệ thống bảo vệ.

Kỹ thuật mô phỏng rất thuận lợi cho việc thiết kế, vừa tiết kiệm công sức, thời

gian và tiền bạc. Các chương trình mô phỏng này không thể hoàn toàn thay thế

được các thử nghiệm thực tế nhưng nhờ vào những bước mô phỏng đầu tiên ta sẽ có

thể dự báo những đáp ứng, diễn biến của hệ thống từ đó có được một thử nghiệm

hợp lý.

Có hai cách để thực hiện các quá trình mô phỏng:

Cách 1: Mô tả mạch điện theo phương pháp toán học (càng chi tiết càng tốt) sau

đó sẽ có chương trình viết sẵn thực hiện việc tính toán cho mạch điện đó. Cách này

đòi hỏi phải có chương trình riêng cho từng trường hợp mạch điện để tránh các lầm

lẫn về số.

Cách 2: Sử dụng các chương trình phân tích hệ thống chẳn hạn như phần mềm

PSPICE, phần mềm MatLab, EMTP, ATP… ưu điểm chính của cách này là tính

linh hoạt của nó. Người sử dụng không cần viết bất kỳ đoạn mã chương trình nào

cho nên họ có thể tập trung giải quyết các vấn đề của mạch điện. Những thay đổi

trong sơ đồ mạch điện hay trong thuộc tính theo thời gian và thuộc tính theo tần số

cũng được thực hiện một cách đơn giản. Sau khi thiết kế, toàn bộ mô hình mạch bảo

vệ được chèn vào xem như là một mạch điện phụ trong quá trình phân tích của cả

hệ thống.

23

Trong phạm vi của đề tài này, người thực hiện sẽ sử dụng phần mềm MatLab để

tiến hành lập mô hình các nguồn phát xung.

2.2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB

2.2.1. Định nghĩa

Matlab là môi trường tính toán kỹ thuật bằng máy tính. Matlab tập hợp các

phép tính phân tích số học, tính toán ma trận, xử lý tín hiệu và đồ họa trong

môi trường dễ sử dụng trong đó các vấn đề và giải thuật được diễn tả bằng các

biểu thức toán học mà không cần phài lập trình phức tạp như các ngôn ngữ

khác. Thuật ngữ Matlab có được do ghép hai từ Maxtric và Laboratory.

Ngày nay, Matlab là phần mềm có giao diện cực mạnh, có nhiều lợi thế

trong lập trình để giải quyết các vấn đề trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật

của nhiều ngành nghề khác nhau. Phần mềm hiện đang được sử dụng rộng rãi

trong các ngành: điện – điện tử, hạt nhân, điều khiển tự động , robot,…..

Matlab biến các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số rồi tập hợp thành tập

tin dữ liệu, thông qua các hàm toán học trong Matlab.

Matlab được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nó cũng

cho phép khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh. Các bộ lệnh trong

Matlab ngày càng được mở rộng những công cụ ứng dụng trong một số lĩnh

vực gọi là các hợp công cụ (Toolbox) hay thông qua các hàm do người xử

dụng tự xây dựng. Matlab có hơn 25 hộp công cụ để trợ giúp cho việc khảo sát

các vấn đề liên quan. Các hộp công cụ bao gồm xử ký tín hiệu, thiết kế hệ

thống điều khiển, tái tạo hệ thống động lực, nhận dạng hệ thống và các lĩnh

vực khác.

Hộp công cụ Simulinkla phần mở rộng của phần mềm được sử dụng dùng

mô phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chóng và tiện lợi. Matlab

cho phép xử xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ họa đơn giản, thuận tiện và chính xác

trong không gian 2D, 3D bởi các thư viện chuẩn, hàm chuẩn có sẵn hoạc do

người sử dung tạo ra.

24

Matlab 4.0 trở lên hoạt động trong môi trường Windows. Trên thị trường

hiện đang sử dụng phiên bản 7.4.0.287. Chương này luôn cập nhật các phiên

bản thương xuyên. Đặc biệt, chương trình Matlab có thể liên kết chạy các

chương trình ngôn ngữ cấp cao khác như: C++, Fortran,…

2.2.2. Cài đặt Matlab

2.2.2.1. Yêu cầu của phần mềm

Để cài đặt Matlab với các phiên bản mới trên thị trường đòi hỏi cấu hình

một máy tính khá mạnh. Ở đây, người thực hiện đề xuất sử dụng một máy tính

có cấu hình như sau:

- Một ổ cứng HDD với ít nhất 3,5GB còn trống

- Bộ nhớ RAM tối thiểu là 512MB

- Tốc độ CPU Pemtium 1.7 GHz trở lên

2.2.2.2. Các bước cài đặt

Việc cài đặt chương trình có thể thực hiện từ ổ CD từ CD – ROM hoăc

cài đặt từ tập tin đã lưu sẵn phần mềm Matlab trong ổ cứng phụ. Các bước cài

đặt từ đĩa CD với chương trình tự động chạy (Auto Run) tương tự với cách cài

đặt các chương trình ứng dụng thông thường.

Chương trình Matlab cũng cho người dùng chọn cài đặt ở 3 chế độ:

- Typical – cài đặt những phần chung nhất được chương trình mặc định

sẵn.

- Compact – cài đặt những phần hệ ứng dụng tối thiểu của chương trình.

- Custom – cài đặt cho phép người dùng chọn ứng dụng phụ theo ý riêng.

Sau khi cài đặt hoàn tất, công tác khởi động lại máy có thể thực hiện hoặc

không nhưng thông thường chúng ta khởi động lại giúp cho máy tính nhận

dạng chương trình mới được cài đặt một cách hệ thống hơn.

2.2.2.3. Khởi động chương trình Matlab

Sau khi khởi động Windows, “ double click” vào biểu tượng Matlab để

kích hoạt chương trình và cửa sổ vùng làm việc (Workspace) của Matlab. Từ

đây, chúng ta bắt đầu tìm hiểu chương trình thông qua phần “Help”, chạy các

25

“Dimo” và làm việc trực tiếp với các công cụ, biểu tượng của chương trình

Matlab.

Từ nút chọn “start” của Matlab ta có thể tìm hiểu các chức năng của

Hình 2.1. Thanh “Start bar” của chương trình Matlab và các công cụ thuộc thư viện

“Simulink”

chương trình như sau:

Simulink là phần chương trình ứng dụng mở rộng nhằm mục đích mô hình

hóa, mô phỏng, phân tích các hệ thống động học. Cho phép mô tả hệ tuyến

tính, phi tuyến trong thời gian liên tục hoặc gián đoạn. giao diện cho phép thể

hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu và các khối chức năng được dựng sẵn.

Hộp công cụ “Simulink” cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong

phú, liên quan đến đa ngành nghề.

26

Hình 2.2. Thư viện Simulik trong chương trình Matlab

Chúng ta sử dụng thư viện Simulink để xây dựng mô hình nguồn phát

xung theo ý muốn với các biểu tượng có sẵn và trực diện trong thư viện trong

thư viện này một cách dễ dàng. Muốn xây dựng một mô hình nào đó, người sử

dụng chỉ cần “nhấp và kéo thả” khối chức năng cần sử dụng vào cửa sổ làm

việc. Thao tác mở cửa sổ làm việc như Hình 2.3a, sau đó kéo thả các khối

chức năng cần sử dụng từ thư viện simulink vào cửa sổ cần xây dựng mô hình

nguồn phát xung (Hình 2.3b), kết nối với các phần tử vừa kéo thả lại với nhau

theo sơ đồ mạch cần nghiên cứu. Trong quá trình cần mô phỏng có thể trích

tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ và hiển thị đặc tính của tín hiệu đó lên màng

hình trực diện, và nếu có nhu cầu ta có thể lưu tập tin lại dưới dạng “*.mdl”

giúp thuận tiện trong việc truy xuất dữ liệu.

27

Hình 2.3 b. Cửa sổ làm việc

Hình 2.3 a.Thao tác mở cửa sổ làm việc

Để sử dụng tốt chương trình, người sử dụng cần có kiến thức cơ bản về

máy tính, điều khiển…,từ các kiến thức này người sử dụng có thể xây dựng

mô hình toán học lập nên mô hình của bài toán cần xây dựng.

- Khối Inport và Outport:

2.2.3. Các khối sử dụng trong mô hình

Khối Inport và Outport là các khối đầu vào, đầu ra của một mô

hình mô phỏng, khối Inport và Outport độc lập với nhau, bắt

đầu từ 1. Khi bổ sung thêm khối Inport và Outport, khối mới sẽ

nhận số thứ tự kế tiếp. Khi xóa một khối nào đó, các khối còn

lại sẽ được tự động đánh số mới.

- Khối Subsystem:

Khối Subsystem được sử dụng để tạo hệ thống con trong

hình SIMULINK. Số lượ ng đầu vào/ra của khối subsystem

phụ thuộc số lượng khối Inport và Outport. Đầu vào/ra của

khối Subsystem sẽ được đặt theo tên mặc định của các khối

Inport và Outport.

-Khối Transfer Fnc:

Mặc dầu chức năng của Simulink có thể giải quyết được các bài

toán có xuất hiện vòng lặp đại số nhưng thời gian giải các bài

toán rất chậm. Nhờ khối Transfer Fcn, có thể tránh được vòng

lặp bằng cách đưa tín hiệu liên tục về rời rạc với một thời gian

trích mẫu phù hợp mà vẫn đảm bảo tính đúng đắn của mô hình.

28

Ở ví dụ thời gian trích mẫu là T=0,01µ s.

-Khối Abs:

Khối này lấy giá trị tuyệt đối của tín hiệu ngõ vào, tín hiệu ngõ

vào có thể là tín hiệu thực hay phức.

- Khối Compare to Constant:

Khối này so sánh tín hiệu ngõ vào với một hằng số, tín hiệu ngõ ra

là giá trị logic bằng 0 nếu so sánh sai, bằng 1 nếu so sánh đúng.

Giá trị hằng số được nhập vào thông số Constant value của khối,

thông số Operator cho phép người sử dụng lựa chọn các phép so

sánh.

- Khối Unit Delay:

Khối này lấy mẫu tín hiệu ngõ vào, sau đó hoãn và giữ tín hiệu

ngõ vào trong một khoảng thời gian lấy mẫu. Thời gian lấy mẫu

này được nhập vào từ thông số Sample time của khối, đơn vị là

s. Tín hiệu ngõ vào có thể là tín hiệu thực, tín hiệu phức hay bất

kỳ dạng tín hiệu nào cung cấp bởi Simulink kể cả dạng điểm.

Lưu ý là cần phải xác định tín hiệu ngõ ra trong giai đoạn đầu tiên

thông qua Initial conditions vì nếu không nó có thể sinh ra một

giá trị không mong muốn của ngõ ra ảnh hưởng đến kết quả mô

phỏng.

-Khối Breaker:

Khối Breaker là khối dùng để đóng cắt mạch điện (circuit

breaker), thời gian đóng, cắt có thể điều khiển bởi một tín

hiệu bên ngoài (External control mode), hay được điều khiển bởi

thời gian bên trong (Internal control mode).

Khối Breaker chỉ cắt ra khi dong qua nó đi quá giá trị 0 và tín hiệu điều

khiển chuyển trạng thái từ 1 xuông 0.

29

Khi khóa đóng nó hoạt động như một mạch điện trở, với một điện trở nội

bên trong Ron. Giá trị điện trở này có thể cài đặt bởi người sử dụng. Ngoài ra,

khóa này còn có một mạch Snubber R-C mắc nối tiếp với khóa để tránh

trường hợp khóa nối tiếp với nguồn dòng hay cuộn cảm. Đa số các trường hợp

điều dùng bộ snubber điện trở (Rs = 1MΩ, Cs = inf).

Khi khóa được đặt ở chế độ External control mode một ngõ điều khiển

ngoài sẽ xuất hiện trên icon của khóa. Tín hiệu điều khiển ngoài này phải là

giá trị logic 0 hay 1, bằng 0 mở khóa, bằng 1 khóa đóng.

Khi khóa được đặt ở chế độ Internal control mode một hộp thoại thời gian

đóng cắt sẽ xuất hiện để xác định thời gian đóng cắt.

Trạng thái ban đầu của khóa được xác định bởi thông số Initial state, bằng

1 khóa đóng, bằng 0 khóa mở.

2.2.4. Giới thiệu công cụ Curve Fitting Toolbox

Công cụ Curve Fitting Toolbox là sự tập hợp nhiều giao diện đồ thị, giao

tiếp trực tiếp với người sử dụng, và các hàm M- file, được xây dựng trong môi

trường tính toán kỹ thuật của Matlab. Nó thực hiện các nhiệm vụ chính sau:

khảo sát một hay nhiều khối dữ liệu và xử lý điều chỉnh để vẽ đồ thị, đánh giá

biểu đồ linh hoạt nhất bằng cách sử dụng các số dư.

Hình 2.4. Giao diện tạo Curve Fitting Toolbox

Để mở công cụ Curve Fitting ta nhập câu lệnh: cftool

30

Trước khi nhập dữ liệu vào Curve Fitting phải chắc chắn rằng đã có 1 file

dữ liệu mẫu tồn tại trong Matlab Worspace, file mặc định có sẵn trong Matlab

là Census.mat.

Sử dụng câu lệnh “load census” để mở file census.mat. Trong cửa sổ

Workpace sẽ mở ra 2 biến giá trị là cdate và pop. Để tạo các biến mới ta chọn

Hình 2.5. Cửa sổ Workspace

New varlable, giả sử ta tạo 1 tập hợp của 2 biến x và y.

Chương trình cho phép đổi tên biến, hiệu chỉnh dữ liệu và xem dữ liệu của

một biến bất kỳ bằng cách chọn tên biến cần quan tâm.

Các dữ liệu của 2 biến x và y nhập liệu xong sẽ được cập nhật vào trong

Curve Fitting. Tiếp theo, để khai báo dữ liệu chọn trang data xuất hiện cửa sổ

như Hình 2.6.

31

Hình 2.6. Cửa sổ Data

Chọn tên biến cho X Data và Y Data, tạo tên file: ví dụ tìm hàm số

y=F(x).

Sau khi khai báo biến xong, click vào nút create data set và đóng cửa sổ

Hình 2.7. Cửa sổ Fitting

lai. Tiếp theo chọn trang Fitting, xuất hiện cửa sổ như Hình 2.7.

32

Chức năng chính của Fit Editor đi tìm tương quan chính xác nhất giữa

biến x và y thông qua các hàm toán học cơ bản được xây dựng sẵn trong

MATLAB như hàm đa thức, hàm mũ, hàm lograrit…, khai triển Fourier…và

hàm toán do người thực hiện tạo ra. Việc chọn kết quả chính xác nhất phụ

thuộc vào thông số R-square tiến gần đến giá trị 1.

Linear model Poly4:

f(x) = p1*x^4 + p2*x^3 + p3*x^2 + p4*x + p5

Coefficients:

p1 = 4.362e-017

p2 = -1.177e-016

p3 = 1

p4 = 5.647e-016

p5 = -2.711e-016

Goodness of fit:

SSE: 4.018e-030

R-square: 1

Adjusted R-square: 1

RMSE: 3.277e-015

Kết quả ví dụ trên là: y= p3*x^2 = x2. File kết quả được lưu lại trong

Worspace.

33

Hình 2.8. Đồ thị y= F(x)

Mở trang Analysis để kiểm tra độ sai số của đồ thị trong quá trình tính

Hình 2.9. Cửa sổ Analysis

toán của máy tính

Curve Fitting Toolbox là công cụ rất hữu ích trong việc tìm mối liên hệ

giữa các sự kiện thu thập được trong quá trình đo đạc thực nghiệm, để từ đó

giúp cho người thực hiện có thể dự đoán diễn biến của sự kiện có thể xảy ra ở

một thởi điểm bất kì.

34

2.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT

2.3.1Các dạng xung không chu kỳ chuẩn

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

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

quá áp cũng như thử nghiệm cách điện của các thiết bị điện. Dạng sóng của

Hình 2.10. Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn

các xung này được trình bày trong Hình 2.10.

Phương trình mô tả của xung dòng điện và điện áp chuẩn có dạng :

i(t) I (eat ebt ) (2.1)

u(t) U(eat ebt ) (2.2)

Xung dòng và xung áp có dạng hoàn toàn giống nhau, dưới dây ta chỉ xét

dạng xung dòng điện từ đó có thể suy ra xung áp tương tự. Dạng xung dòng

gồm hai thành phần Ie-at và Ie-bt như Hình 2.11.

35

Hình 2.11. Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần

Giá trị của I, a, b từ biểu thức trên có thể xác định đối với từng dạng xung

dòng chuẩn từ các giá trị: giá trị đỉnh I1 của xung dòng, thời gian đạt đỉnh t1,

thời gian đạt ½ giá trị t2 thông qua các đường cong chuẩn như Hình 2.12, 2.13,

Hình 2.12. Đường cong xác định tỉ số b/a

2.14.

36

Hình 2.13. Đường cong xác định tỉ số at1

Hình 2.14. Đường cong xác định tỉ số I1/I

2.3.2 Xây dựng mối liên hệ giữa các thông số trong mô hình

Để thuận tiện cho việc xác định các thông số của phương trình 2.1 và 2.2,

ta lần lượt tìm mối tương quan giữa các biến số thông qua các hàm toán học

dựa trên tọa độ các điểm nằm trên các đường cong Hình 2.12, Hình 2.13 và

Hình 2.14. Phương pháp thực hiện bằng cách sử dụng tính năng Curve Fitting

trong Fitting Toolbox của phần mềm Matlab (R2008a) đã được giới thiệu ở

trên.

37

2.3.2.1 Giữa tỉ số t2/t1 và b/a

Do tỉ số t2/t1 là giá trị cho trước nên đơn giản hóa việc tính toán ta xem

trục tỉ số t2/t1 là trục ox và trục tỉ số b/a là trục oy.

Nhập dữ liệu t2/t1 và b/a từ đường cong Hình 2.12 thu được kết quả như

Hình 2.15. Nhập dữ liệu t2/t1 và b/a

hình Hình 2.15.

Lần lượt chọn các dạng hàm toán học đi qua các tọa độ trên. Kết quả như

sau:

Exponential: f(x) = a*exp(b*x)

Coefficients:

a = 61.8 (40.17, 83.42)

b = 0.0346 (0.0283, 0.04089)

Goodness of fit: R-square: 0.8697.

Fourier: f(x) = a0 + a1*cos(x*w) + b1*sin(x*w) + a2*cos(2*x*w)

+ b2*sin(2*x*w) + a3*cos(3*x*w) + b3*sin(3*x*w)

Coefficients:

a0 = 262.1 (194.4, 329.8) a1 = -291.5 (-413.3, -169.7)

38

b1 = -29.74 (-374.5, 315) a2 = 0.1806 (-196.9, 197.3)

b2 = 75.28 (60.69, 89.88) a3 = 16.69 (-7.129, 40.51)

b3 = -7.313 (-71.2, 56.57) w = 0.05128 (0.02545, 0.0771)

Goodness of fit: R-square: 0.9999

Gaussian: f(x) = a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) + a2*exp(-((x-b2)/c2)^2)

+ a3*exp(-((x-b3)/c3)^2)

Coefficients:

a1 = 602.7 (473.6, 731.7) b1 = 68.08 (31.66, 104.5)

c1 = 25.68 (-121, 172.3) a2 = 170.6 (-1477, 1818)

b2 = 33.38 (-8.829, 75.59) c2 = 15.39 (-42.59, 73.37)

a3 = 44.8 (-191.5, 281) b3 = 16.16 (6.959, 25.37)

c3 = 8.778 (-2.657, 20.21)

Goodness of fit: R-square: 0.9994

Power: f(x) = a*x^b+c

Coefficients:

a = 6.103 (5.198, 7.007) b = 1.09 (1.054, 1.126)

c = -18.99 (-23.94, -14.04)

Goodness of fit: R-square: 0.9993

Sum of Sin Functions: f(x) = a1*sin(b1*x+c1) + a2*sin(b2*x+c2)+

a3*sin(b3*x+c3) + a4*sin(b4*x+c4) + a5*sin(b5*x+c5)

Coefficients:

a1 = 657.8 (-4.082e+006, 4.084e+006)

b1 = 0.0264 (-202.1, 202.2)

c1 = -0.1638 (-2333, 2333)

a2 = 189.1 (-5.702e+006, 5.703e+006)

b2 = 0.04676 (-145.1, 145.2)

c2 = 2.732 (-880.1, 885.6)

a3 = 29.14 (-9.705e+006, 9.705e+006)

b3 = 0.2417 (-2305, 2306)

39

c3 = 0.1477 (-6.675e+004, 6.675e+004)

a4 = 25.38 (-9.723e+006, 9.723e+006)

b4 = 0.2541 (-2190, 2190)

c4 = 2.93 (-6.301e+004, 6.301e+004)

a5 = 2.71 (-97.3, 102.7)

b5 = 0.5372 (-2.357, 3.432)

c5 = 1.686 (-69.77, 73.14)

Goodness of fit: R-square: 0.9999

Polynimial: f(x) = p1*x^4 + p2*x^3 + p3*x^2 + p4*x + p5

Coefficients:

p1 = 2.859e-005 (1.83e-005, 3.887e-005)

p2 = -0.004598 (-0.006, -0.003196)

p3 = 0.2502 (0.1898, 0.3106)

p4 = 3.914 (2.996, 4.832)

p5 = -9.286 (-12.78, -5.788)

Goodness of fit: R-square: 0.9999

Phương trình được lựa chọn là:

 y = 2,859e-005. x4 – 0,004598. x3 + 0,2502. x2 +3,914x – 9,286

Kết quả phân tích như Hình 2.16

40

Hình 2.16. Kết quả phân tích ở cửa sổ Analysis

2.3.2.2 Giữa tỉ số b/a và at1

Tương tự như trên, nhập dữ liệu b/a (X_at1) và at1 từ đường cong Hình

2.13. thu đượckết quả như Hình 2.17.

41

Hình 2.17. Nhập dữ liệu b/a (X_at1) và at1

Kết quả là:

Exponential: f(x) = a*exp(b*x) + c*exp(d*x)

Coefficients:

a = 0.8972 (0.8312, 0.9633)

b = -0.2972 (-0.3508, -0.2435)

c = 0.2398 (0.1869, 0.2928)

d = -0.02101 (-0.0275, -0.01452)

Goodness: R-square: 0.9958

Rational: f(x) = (p1*x^2 + p2x + p3) / (x^3 + q1*x^2 + q2*x + q3)

Coefficients:

p1 = 4.535 (3.299, 5.147)

p2 = -4.644 (-28.34, 13.83)

p3 = 22.45 (-6.804, 51.55)

q1 = 1 (-4.568, 17.15)

q2 = 8.66 (-3.561, 20.637)

42

q3 = -20.37 (-25.86, -9.835)

q4 = 39.65 (9.507, 61.33)

Goodness of fit: R-square: 0.9996.

Phương trình được lựa chọn là:

=> y = (4,5352. x2 – 4,644. x + 22,45)/(1. x3 + 8,66. x2 – 20,37. x +

39,65)

2.3.2.3.Giữa tỉ số I1/I và b/a

Kết quả là:

=> y = (0,9925. x3 – 3,255.x2–+1,809. x + 2,935)/(1. x3 + 1,353. x2 –

16,02. x +24,51)

2.3.3 Xây dựng mô hình nguồn phát xung

2.3.3.1.Xây dựng sơ đồ khối

Việc xây dựng mô hình toán nguồn phát xung trên Matlab dựa vào các

phương trình sau:

 i(t)=I.(e-at – e-bt). (2.1)

 u(t)=U.(e-at – e-bt). (2.2)

 (b/a) = 2,859e-005o6)4 – 0,004598. (t2/t1)3 + 0,2502.(t2/t1)2

+3,914. (t2/t1) – 9,286.

(2.

3)

 (at1)=[4,5352. (b/a)2 – 4,644. (b/a) + 22,45)]/[1. (b/a)3 + 8,66.

(b/a)2

 (I1/I)y = [0,9925. (b/a)3 – 3,255. (b/a)2–+1,809. (b/a) + 2,935]/[1. (b/a)3

+ 1,353. (b/a)2 – 16,02. (b/a) +24,51].

(2.5)

20,37. (b/a) + 39,65]. (2.4)

43

Các biến đầu vào là t1, t2 và I hay U ( tuy theo nguồn phát xung dòng

hoặc áp)

Các bước thực hiện: từ thông số (t2/t1) và phương trình 2.3 sẽ tìm được giá trị

(b/a), tiếp tục thay giá trị này vào phương trình 2.4 và 2.5. Sau cùng sẽ tìm

được các giá trị cần tìm là a, b.

Hình 2.18. Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung

Kết quả thực hiện mô hình trên Matlab như Hình 2.18.

Tiến hành nhóm các khối vào một khối con Subsystem, dùng Edit Mask

xây dựng khối này thành nguồn phát xung hoàn chỉnh có biên độ và dạng sóng

Hình 2.19. Biểu tượng của mô hình nguồn phát xung

được nhập bởi người sử dụng như hình, sau đó chép vào thư viện My Library.

44

Dùng Edit Mask để tạo biến yêu cầu nhập vào cho mô hình nguồn phát

Hình 2.20. Khai báo các thông số yêu cầu

xung như Hình 2.20.

2.3.3.2 Thực hiện mô phỏng

Hình 2.21. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng

-Mô phỏng nguồn phát xung

Nhập các thông số cho nguồn xung dòng như hình 2.22.

45

Hình 2.22. Các thông số nguồn xung dòng

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µs biên độ 20kA thu được kết

Hình 2.23. Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 20kA

quả như Hình 2.23.

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µs biên độ 3kA thu được kết quả

như Hình 2.24.

46

Hình 2.24. Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 3kA

Hình 2.25. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp

-Mô phỏng nguồn phát xung áp

Thực hiện mô phỏng với xung áp 1,2/50 µs biên độ 5kV thu được kết quả

như Hình 2.26.

47

Hình 2.26. Dạng sóng nguôn xung áp 1,2/50 µs biên độ 5kV

Thực hiện mô phỏng với xung áp 10/700 µs biên độ 5kV thu được kết quả

Hình 2.27. Dạng sóng nguồn áp 10/700 µs biên độ 5kV

như Hình 2.27.

2.4 KẾT LUẬN

Từ các kết quả mô phỏng các nguồn xung cho thấy đáp ứng dạng sóng của mô

hình phù hợp với các thông số yêu cầu, việc sử dụng mô hình rất dễ dàng và là công

cụ không thể thiếu trong việc cung cấp nguồn xung để khảo sát đáp ứng của các

thiết bị bảo vệ chống sét.

48

CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI

3.1 GIỚI THIỆU

Biến trở oxide lim loại (Metal Oxide Varistor) MOV dđã được sử dụng từ lâu để

bảo vệ thiết bị trên hệ thống điện nhằm tránh quá áp bên trong và bên ngoài. Bản

thân MOV có đặc tính động, cần quan tâm trong nghiên cứu phối hợp bảo vệ quá

áp. Điện áp qua MOV không chỉ là một hàm của dòng phóng điện mà còn phụ

thuộc vào tốc độ gia tăng của điện áp.

Do đó, mô hình của MOV không thể chính xác nếu chỉ là một điện trở phi tuyến.

Vì thế, việc nghiên cứu đáp ứng phụ thuộc tần số của MOV cần được nghiên cứu

trong dạng MOV phức hợp gồm nhiều phần tử khác là cần thiết.

Việc lập mô hình cho MOV vẫn còn khó khăn. Các vấn đề nảy sinh trong quá

trình tính toán và điều chỉnh các thông số của mô hình xây dựng. Trong một số

trường hợp cần phải dùng phương pháp lặp với số lần lặp quá lớn, trong một số

trường hợp khác thì các dữ liệu cần thiết lại không được cung cấp từ nhà sản xuất.

Do phương pháp xác định thông số của mô hình và độ chính xác trong quá trình

tính toán mỗi mô hình được đề nghị sẽ có những ưu và nhược điểm khác nhau.

Sau đây sẽ phân tích một số mô hình MOV hạ áp đã được nghiên cứu, để từ đó

người thực hiện xây dựng một mô hình MOV hạ áp với các thông số được cung cấp

trong Catalogue và có độ chính xác cao.

3.2 MÔ HÌNH ĐIỆN TRỞ PHI TUYẾN

3.2.1 Mô hình toán

Một điện trở tuyến tính có quan hệ V=iR là một hằng số. Đặc tuyến V-I là

một đường thẳng. Đối với điện trở phi tuyến (Hình 3.1) được xác định bởi

quan hệ giữa điện áp và dòng điện là v= fR(i) hay I = φ R (v). khi đó, đặc tuyến

của điện trở là một đường cong.

49

Hình 3.1. Mô hình điện trở phi tuyến

Đặc tính phi tuyến V – I của điện trở phi tuyến có thể xác định bằng vài

(3.1)

đoạn lũy thừa khác nhau, với mỗi đoạn được xác định như phương trình (3.1).

Với p, q là các hằng số và Vref là điện áp quy chuẩn của MOV.

Trong đó, đoạn đầu tiên của đặc tính là tuyến tính để tránh tràn số và cải

thiện tốc độ mô phỏng. Điện trở trong đoạn này được cho rất lớn và MOV ảnh

hưởng không đáng kể đến trình trạng ổn định. Dòng qua MOV lúc này nhỏ hơn

0,1A.

Đoạn thứ hai được xác định bởi các thông số p, q và Vmin: là giá trị điện áp

quy dịnh để chuyển phương trình (3.1) sang đoạn hai. Khi điện áp vượt quá Vmin

thuật toán sẽ lặp từng bước để nhận được kết quả thỏa mãn phương trình (3.1).

Nhiều đoạn tiếp theo được dùng để nâng cao độ chính xác của mô hình và số

mũ của nó sẽ giảm xuống khi dòng điện tăng lên. Mỗi đoạn sẽ có giá trị p, q và

Vmin khác nhu

3.2.2 Cấu trúc mô hình

Cấu trúc một mô hình MOV được xây dựng dựa trên thu thập các số liệu

sau:

- Đặc tính và các giá trị định mức của MOV được nhà chế tạo cung cấp.

- Đường cong V-I của nhà chế tạo.

Các số liệu này được cung cấp trong tài liệu của nhà sản xuất. các nhà chế

tạo cho một xung dòng phong qua một đĩa MOV và ghi lại giá trị điện áp quy

chuẩn. Xung dòng kiểm tra này có biên độ 10kA và dạng sóng là 8/20µs, biên

độ điện áp đỉnh có giá trị là V10 và được coi là điện áp qui chuẩn đơn vị. Các

50

đường cong thường dùng giá trị V10 làm đơn vị trong hệ tương đối. Từ đó,

đường cong V-I có thể xác định theo giá trị điện áp qui chuẩn đơn vị nêu trên.

Bước tiếp theo là lựa chọn:

- Một điện áp qui chuẩn tỷ lệ với định mức của MOV (V10).

- Số cột song song của các đĩa MOV.

- Đặc tính dòng áp V-I theo điện áp chuẩn đơn vị.

Tập các điểm V-I từ nhà chế tạo phải được chuyển thành hai tập các giá trị

của các thông số p, q và Vmin bằng ARRDAT trong EMTP. ARRDAT chỉ

chạy một lần đối với mỗi đường cong đặc tuyến V-I, nếu các điện áp vào là

điện áp đơn vị của V10 cho một cột đĩa MOV.

Nhận xét: Mô hình trên là một điện trở phi tuyến có quan hệ dòng và áp

theo phương trình hàm mũ (3.1). Mô hình chỉ thích hợp với quá trình quá độ

có thời gian đầu song của dòng điện tăng chậm khoảng vài chục micrô giây trở

lên.

3.3 MÔ HÌNH MOV CỦA MATLAB

Hình 3.2. Biểu tượng mô hình MOV trong chương trình Matlab

3.3.1 Mô hình

Mô hình MOV của Matlab là một điện trở phi tuyến. Đặc tuyến phi tuyến

V-I của MOV được thành lâp bởi ba đoạn khác nhau của phương trình hàm

mũ:

(3.2)

Các giá trị ki và αi được khai báo trên hộp thoại. Với mỗi đoạn khác nhau

của phương trình hàm mũ, giá trị k và α sẽ khác nhau và quan hệ dòng áp của

mô hình sẽ như hình 3.3.

51

Hình 3.3. Quan hệ dòng điện và điện áp của mô hình MOV

Hình 3.4. Hộp thoại của mô hình MOV trong Matlab

Hộp thoại và các thông số cần khai báo:

Trong đó, các thông số cần khai báo gồm:

- Vref: Điện áp định mức (là điện áp qui chuẩn của bộ đĩa MOV)

- n: Số đĩa trong một chống sét van

52

Iref: Dòng điện qui chuẩn trên một đĩa MOV -

- K1 và α1: đặc tuyến V-I của đoạn thứ nhất.

- K2 và α2: đặc tuyến V-I của đoạn thứ hai.

- K3 và α3: đặc tuyến V-I của đoạn thứ ba.

3.3.2 Nguyên lý làm việc của mô hình

Vì mô hình là một điện trở phi tuyến nên về nguyên lý có chức năng giông

Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý của mô hình

như một nguồn dòng được điều khiển bởi một điện áp đặt vào hai cực của nó.

Điện áp được đưa vào ngõ vào của mô hình, giá trị điện áp được lấy giá trị

tuyệt đối và đưa vào ba khối Math Function được đặt tên lần lượt là Segment1,

Segment2, Segment3, có công thức:

(3.3)

Các tín hiệu đầu ra của các khối Math Function được đưa vào hai khối

Switch1 và Switch2. Các khối này sẽ so sánh các giá trị từ Segment1,

Segment2, Segment3, với giá trị dòng điện đặt trước nhằm lựa chọn một trong

ba đoạn, ứng với giá trị k và α tương ứng, sau đó tín hiệu được đưa tới khối

nhân để chọn dấu và cuối mô hình là giá trị của tín hiệu dòng.

Nhận xét: Mô hình trên có chức năng giống như mô hình điện trở phi

tuyến đã được đề cập trong phần trên. MOV này thường được áp dụng trong

53

mô phỏng trung thế. Tuy nhiên, đây chỉ là một mô hình đơn giản, gần đúng.

Với các loại MOV khác nhau người sử dụng phải nhập các giá trị k, α tương

ứng với đặc tính V-I của nó. Việc xác định hai thông số này nói chung là khá

phức tạp và dể phát sinh sai số ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng của mô hình

trong khi mô hình MOV hạ thế đì hỏi độ chính xác kha cao. Việc này dẫn đến

việc cần thiết phải tìm ra một mô hình khác thích hợp hơn.

3.4 MÔ HÌNH MOV HẠ THẾ

3.4.1Cấu trúc cơ bản của mô hình MOV hạ thế

Mô hình MOV hạ thế được xây dựng dựa trên cơ sở mô hình MOV của

Manfred Holzer và Willi Zapsky.

Biến trở MOV được thay thế bởi một phần tử điện trở phi tuyến có đặc

tính V-I, một tụ điện Cp mắc song song với nó cùng với một điện trở song

song Rp. tất cả các phần tử này được nối tiếp với một điện cảm Ls và điện trở

Hình 3.6. Sơ đồ mạch tương đương của mô hình MOV đề nghị

Rs như Hình 3.6.

Điện trở Rs của mô hình có giá trị cực nhỏ khoảng 100nΩ được thêm vào

để ngăn ngừa việc nối tiếp một mô hình nguồn dòng lý tưởng với một điện

cảm hay một nguồn dòng khác trong Matlab.

Điện cảm nối tiếp Ls gồm điện cảm trong của ZnO và điện cảm dây nối

của MOV. Giá trị điện cảm dây nối của MOV vào khoảng 1nH/mm, còn điện

cảm trong của ZnO có già trị rất nhỏ nên có thể được bỏ qua. Giá trị điện cảm

Ls này được cho đối với các loại MOV chuẩn.

54

Tụ điện Cp chính là điện dung của MOV, giá trị này có trong catalogue

của nhà sản xuất.

Điện trở Rp là điện trở miền tiếp giáp giữa các hạt ZnO có giá trị rất lớn,

bằng 100MΩ

Phần điện trở phi tuyến có đặc tính V-I được mô phỏng bởi một nguồn

(3.4)

với I>0

điện áp điều khiển V là một hàm của dòng điện I (V= f(I)).

(3.5)

Ứng với mỗi loại MOV hạ thế chuẩn ta có các thông số b1, b2, b3, b4

tương ứng được cho bởi Manfred Holzer và Willi Zaosky. Các thông số b1,

b2, b3, b4 này được xác định dựa trên đặc tính V-I của MOV ứng với độ sai số

TOL của điện áp MOV là 0%. Tùy vào từng loại MOV, độ sai số TOL chuẩn

có thể thay đổi từ 10% đến 20%, một ví dụ được cho trong hình 3.7.

Hình 3.7. Đặc tinh V-I của MOV co sai số TOL 10%

Để mô phỏng trường hợp khi MOV chịu xung dòng phóng điện, trường

hợp điện áp dư của MOV có giá trị cực đại (đây cũng chính là giá trị V của

MOV trong đặc tính V-I được cho trong catalogue), độ sai số dương sẽ được

sử dụng cho mô hình thông qua công thức 3.6.

(I>0) (3.6)

55

3.4.2 Mô hình điện trở phi tuyến trên Matlab

Phần tử phi tuyến V=f(I) đươc xây dựng dựa trên một bảnh tra, với mỗi

giá trị của điện áp V sẽ tương ứng với một giá trị điện áp I, hai đại lượng này

Hình 3.8. Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V=f(I) của MOV

có mối tương quan bởi công thức 3.6.

Mô hình điện trở phi tuyến, được xem như một khối Controlled Current

Source với dòng điện I là một hàm phi tuyến được điều khiển theo điện áp U.

Phần tử điện trở phi tuyến dùng khối Voltge measurement để đo điện áp ở

hai cực của phần tử phi tuyến sau đó cho qua khối Transfer Fcn để chuyển tín

hiệu điện ap1lie6n tục sang rời rạc với chu kỳ lấy mẫu là 0,01µs (nhằm làm

cho thuật toán trên máy tính được giải nhanh hơn dể tránh vong lặp đại số

trong mạch trong khi kết quả vẫn bảo đảm tính chính xác). Tín hiệu ra được

cho qua khối lấy giá trị tuyệt đối Abs sau đó qua khối Look-Up Table có chức

năng tra bảng, ứng với mỗi giá trị điện áp đưa vào sẽ cho ra giá trị dòng điện

tương ứng bởi quan hệ trong công thức 3.6. Tín hiệu ra được nhận với ngõ ra

của khối Sign (khối lấy dấu của điện áp trên hai cực của điện trở phi tuyến) và

tạo thành tín hiệu dòng có dấu. Tuy nhiên, tín hiệu ra này chỉ mới là tín hiệu

Simulink, tín hiệu này cần được cho qua khối Controlled Current Source để

chuyển thành tín hiệu dòng điện.

Để thể hiện mối quan hệ V-I như công thức 3.6. khai báo khối Look-Up

Table như sau:

56

Vector of Input Values (V): V_array_input

Vector of Output Values (I): I_array_output

Trong đó, một mảng các giá trị điện áp đầu vào, một mảng các giá trị dòng

điện ngõ ra. Hai mảng các giá trị điện áp và dòng điện này được khai báo và

tính toán ứng với một mảng các giá trị dòng điện ngõ ra theo công thức 3.6 bởi

một chương trình trong Initialization Commands (tạo giá trị ban đầu cho mô

hình) trong chức năng Mask Editor của mô hình MOV hạ thế hoàn chỉnh.

Nhóm các khối trên lại và ta đã xây dựng xong mô hình phần tử điện trở

phi tuyến có đặc tính V-I theo công thức 3.6.

3.4.3 Mô hình MOV hạ thế trên Matlab

Sử dụng Simulink trong Matlab xây dựng mô hình MOV hạ thế hoàn

Hình 3.9. Mô hình MOV hạ thế

chỉnh như Hình 3.9.

Với R1= 100nΩ, R2= 100MΩ, L và C có giá trị khác nhau ứng với

từng loại MOV khác nhau.

Nhóm các phần tử của mô hình lại thành một khối, sử dụng Edit Mask đặt

tên MOV, khai báo các biến cho mô hình, viết một đoạn chương trình để truy

xuất các giá trị L, C, thông số b1, b2, b3, b4 và và tính giá trị của mảng điện

áp V_array_input theo mảng dòng điện I_array_output ứng với các loại MOV

khác nhau được yêu cầu mô phỏng, xây dựng biểu tượng cho MOV và cuối

cùng ta được mô hình MOV hạ thế hoàn chỉnh như Hình 3.10.

57

Hình 3.10. Biểu tượng mô hình MOV hạ thế

Các thông số biến của mô hình được khai báo trong mục Parameters của

Hình 3.11. Hộp thoại khai báo biến của Parameters của mô hình MOV hạ thế

hộp thoại Mask Editor như hình 3.11.

Điện áp làm việc xoay chiều cực đại (Vc) của MOV (giá trị RMS): giá trị

điện áp này được chuẩn hóa bởi các nhà sản xuất và là giá trị cơ bản để chọn

MOV ứng với các mạng điện có điện áp khác nhau, có giá trị: 230V, 275V,

440V, và 750V…..

Giá trị biên độ của xung dòng 8/20µs mà MOV có thể chịu đựng (Imax):

già trị biên độ này được chuẩn hóa bởi các nhà sản xuất và cũng là giá trị cơ

bản để chọn loại MOV ứng với các mức độ chịu đựng xung dòng khác nhau,

có giá trị: 2.5kA, 4.5kA, 6.5kA, 8kA, 25kA, 40kA, 70kA và 100kA.

Hai thông số Vc và Imax trên để phân loại MOV, ứng với các MOV khác

nhau ta sẽ có các giá trị L, C, và b1, b2, b3, b4 khác nhau.

58

Trong mục Initialization (nhập giá trị thông số đầu vào của mô hình), viết

một đoạn chương trình để truy xuất các giá trị L, C, thông số b1, b2, b3, b4, và

tính giá trị của mảng điện áp V_array_input theo bảng dòng điện

I_array_output thông qua công thức 3.6 ứng với các loại MOV khác nhau

được yêu cầu mô phỏng. Dữ liệu các thông số này được cung cấp từ thư viện

dữ liệu MOV hạ thế của Manfred Holzer và Willi Zapsky. Hộp thoại giá trị

Hình 3.12. Hộp thoại Initialization của mô hình MOV hạ thế

đầu vào Initialization được trình bày như Hình 3.12.

Hai mảng V_array_input và I_array_output khai báo cho khối Look-up

Table của mô hình phần tử điện trở phi tuyến, thể hiện quan hệ V-I theo công

thức 3.5 của MOV, được tính toán trước trong chương trình bởi câu lệnh:

I_array_output=[0.0000001 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100

300 1000 2000 5000 10000 20000 40000 100000 1000000];

V_array_input=(1+TOL/100)*10.^(b1+b2*log10(I_array_output/N)+b3*exp(-

log10(I_array_output/N))+b4*exp(log10(I_array_output/N)));

59

Hoàn tất các bước xây dựng mô hình trong Mask Editor, cuối cùng ta thu

được mô hình hoàn chỉnh của MOV hạ thế. Hộp thoại thông số của mô hình

Hình 3.13. Hộp thoại thông số của mô hình MOV hạ thế.

như Hình 3.13.

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

Dùng mô hình xung dòng 8/20µs kiểm tra đáp ứng của mô hình MOV hạ

Hình 3.14. Sở đồ mô phỏng đáp ứng của MOV hạ thế

thế vừa xây dựng như sơ đồ hình 3.14.

60

Dùng mô hình mô phỏng cho MOV hạ thế của hãng Siemen loại

Điện áp

Dòng điện

Sai số của

Điện áp phóng điện max với

Loại

làm việc

điện áp

xung 8/20s

xung 8/20s (V crest)

AC max

MOV (%)

max

5kA

10kA

(V)

S20K275

275

(kA crest) 8

10

1110

-

B32K275

275

25

10

1000

1150

B40K275

275

40

10

960

1100

Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật MOV hạ thế của hãng Siemens

S20K275, B32K275, B40K275 có thông số trong bảng 3.1.

Đầu tiên, tiến hành thử nghiệm đáp ứng của MOV hạ thế loại B40K275

với các xung dòng 8/20µs có biên độ lần lượt 5kA, 10kA, đáp ứng của mô

hình MOV được trình bày trong Hình 3.15, 3.16. Thông cần nhập vào mô hình

là:

Max. AC operating Voltage (V) : 275V

Max. impulse Current (kA) : 40kA

Hình 3.15. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV B40K275 với

xung dòng 8/20µs 5kA

Tolerance of varistor voltage (%) : 10%

61

Hình 3.16. . Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV B40K275

với xung dòng 8/20µs 10kA

Thực hiện mô phỏng tương tự với các MOV hạ thế còn lại, giá trị điện áp

dư cực đại của mô hình MOV hạ thế ứng với các trường hợp xung dòng

8/20µs có biên độ khác nhau được tổng hợp và so sánh với giá trị được cho

trong Catalogue và kết quả được tổng hợp trong bảng 3.2. Trong đó, sai số của

mô hình được tính theo công thức (3.7)

Điện áp dư trên MOV

S20K275

B32K275

B40K275

(crest)

5kA

5kA

10kA

5kA

10kA

Theo catalogue

1100

1000

1150

960

1100

(V)_Vrcat Theo mô hình

1101 -0,09

1001 -0,1

1146 0,35

960,8 0,08

1091 0,81

(V)_Vrmod Sai số (%)_ V

Bảng 3.2. Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV hạ thế của hãng Siemens

  V (%) = (Vrcat-Vrmod)*100/Vrcat (3.7)

Kết quả mô phỏng tổng hợp trong bảng 3.2. cho thấy mô hình MOV hạ

thế vừa xây dựng có độ chính xác cao. Khi thử với xung dòng 8/20µs có biên

62

độ 5kA và 10kA, sai số điện áp dư của mô hình thường chỉ dưới 1%. Để

chứng minh đúng đắn của mô hình, ta tiến hành mô phỏng thử nghiệm với các

loại MOV hạ thế cụa các nhà sản xuất khác.

Dùng mô hình mô phỏng MOV hạ thế của hãng AVX loại

VE13M02750K (đường kính đĩa MOV 10mm), và loại VE17M02750K

Điện áp

Dòng

Sai số

Điện áp phóng điện max

Loại

làm việc

điện xung

của

với xung 8/20s

AC max

điện áp

8/20s

(V crest)

(V)

MOV

max

2kA

3kA

(%)

10

VE13M02750K

275

1150

-

2.5 (kA crest)

4.5

10

VE17M02750K

275

1050

1100

Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật MOV hạ thế của hãng AVX

(đường kính đĩa MOV 14mm) có thông số cho trong Bảng 3.3.

Tiến hành thử nghiệm đáp ứng của MOV hạ thế loại VE17M02750K

với các xung dòng 8/20µs có biên độ lần lượt 2kA, 3kA đáp ứng của mô hình

MOV được trình bày trong Hình 3.17, 3.18. Thông số cần nhập vào mô hình

là:

Max. AC operating Voltage (V) : 275V

Max. impulse Current (kA) : 4.5kA

Tolerance of varistor voltage (%) : 10%

63

Hình 3.17.Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV VE17M02750K

với xung 8/20µs 2kA

Hình 3.18. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi mô phỏng MOV

VE17M02750K với xung 8/20µs 3kA

Mô phỏng tương tự với MOV hạ thế loại MOV VE17M02750K còn

lại, giá trị điện áp dư đỉnh của mô hình MOV hạ thế ứng với các trường hợp

xung dòng 8/20µs có biên độ 2kA đượ tổng hợp so sánh với giá trị được cho

trong Catalogue, sai số mô hình được tổng hợp trong Bảng 3.4.

64

VE13M02750K

VE17M02750K

Điện áp dư trên MOV

2kA

3kA

2kA

3kA

(crest) Theo catalogue (V)_Vrcat

1150

-

1050

1100

Theo mô hình (V)_Vrmod

1114

-

997,7

1051

Sai số (%)_ V

3,1

-

4.9

4,5

Bảng 3.4. Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV hạ thế của hãng AVX

Dùng mô hình mô phỏng tiếp cho MOV hạ thế của hãng Littlefuse loại

Điện áp

Dòng

Sai số

Điện áp phóng điện max

Loại

làm việc

điện xung

của điện

với xung 8/20s

AC max

áp MOV

8/20s max

(Vrest)

(V)

(%)

(kA crest)

3kA

5kA

V275LA40A

275

6.5

10

1040

1150

Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật MOV hạ thế của hãng Littefuse

V275LA40A (đường kính đĩa MOV20mm) có thông số cho trong bảng 3.5.

Tiến hành thử nghiệm đáp ứng của MOV hạ thế loại V275LA40A với các

xung dòng 8/20µs có biên độ lần lượt 3kA, 5kA. Đáp ứng của mô hình MOV

được trình bày trong hình 3.19, 3.20. Thông số cần nhập váo mô hình là:

Max. AC operating Voltage (V) : 275V

Max. impulse Current (kA) : 6.5kA

Tolerance of varistor voltage (%) : 10%

65

Hình 3.19. điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi mô phỏng V275LA40A với xung

8/20µs 3kA

Hình 3.20. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV khi mô phỏng V275LA40A với xung

8/20µs 5kA

Tổng hợp giá trị điện áp dư cực đại của mô hình MOV hạ thế với các

trường hợp xung dòng 8/20µs có biên độ khác nhau và so sánh với giá trị được

cho trong Catalogue, sai số mô hình được tổng hợp trong Bảng 3.6.

66

V275LA40A

Điện áp dư trên MOV

3kA

5kA

(crest) Theo catalogue (V)_Vrcat

1040

1150

Theo mô hình (V)_Vrmod

995,1

1101

Sai số (%)_ V

4,3

4,3

Bảng 3.6. Kết quả so sánh khi mô phỏng MOV hạ thế của hãng Littelfuse

3.5 KẾT LUẬN

Qua các kết qủa tổng hợp từ việc mô phỏng đáp ứng của mô hình MOV hạ

thế so sánh với các loại MOV của các nhà sản xuất khác nhau, ta nhận thấy

mô hình MOV hạ thế xây dựng đã đạy mức sai số khá tốt (sai số điện áp dư

trên mô hình MOV so với dữ liệu Catalogue được cho bởi nhà sản xuất có giá

trị tối đa là 4,9%) và thông số nhập vào lại khá đơn giản, được cung cấp bởi

nhà sản xuất. bên cạnh đó, người sử dụng còn có khả năng cập nhật thêm các

giá trị cho mô hình khi cần mô phỏng.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

CHƯƠNG 4

MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN KHÔNG KHÍ

Trong tất cả các mô hình của thiết bảo vệ quá áp trên đường nguồn, xây dựng

mô hình khe hở phóng điện là một vấn đề rất khó khăn do phải tích hợp cả cơ cấu

phóng điện và quá trình phóng điện vào quá trình mô phỏng để tái hiện đáp ứng

thật của khe hở phóng điện. Việc mô phỏng các phần tử có độ phi tuyến rất cao

như khe hở phóng điện, gây ra một số vấn đề về hội tụ ngay cả khi sử dụng phần

mềm Pspice, MATLAB.

Về cơ bản, có thể xét tới hai loại mô hình khe hở phóng điện, đó chính là mô

hình khe hở phóng điện trong miền thời gian và mô hình phóng điện trong miền

tần số không được xem xét ở đây bởi vỉ nó đóng vai trò không quan trọng. Trong

nội dung của để tài này chỉ xem xét các khe hở phóng điện trong miền thời gian.

4.1. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN KHÔNG KHÍ SPARK GAP

4.1.1.Mô hình Spark Gap đơn giản

Mô hình lấy ý tưởng từ mô hình khe hở phóng điện của Larsson, với

một số hiệu chỉnh: điện trở R1 là điện trở rò của khe hở được nối song song

với khóa đóng cắt K (có giá trị 1ooMΩ), điện dung của khe hở C1 do có giá

trị rất bé (khoảng 2pF) nên được bỏ qua, điện cảm của dây dẫn của khe hở

L1 khoảng 1nH/mm chỉ có tác dụng giới hạn tăng trưởng của dòng theo

thời gian nên cũng không xem xét đến.

Mạch tương đương của mô hình khe hở không khí trình bày trong Hình

Trang 67

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

4.1.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.1. Mô hình khe hở không khí đề nghị

Điện áp đánh thủng được mô hình trong khối SC (Swich Control). Khi

điện áp đặt vào khe hở (trên khóa đóng cắt K) đạt đến giá trị điện áp đánh

thủng, một khoảng thời gian trễ được tính toán theo công thức nội suy theo

kinh nghiệm ứng với từng loại khe hở không khí có giá trị từ 0.01 - 0.1µs

tùy thuộc vào độ dốc xung quá áp (dV/dt). Trong đó, những hệ số kinh

nghiệm được thiết lập từ việc đo lường, sử dụng một nguồn áp với hằng số

tỉ lệ tăng trưởng. Khi thời gian trể đi qua, khóa cắt đóng lại, khe hở bị đánh

thủng. Điều này rất đúng với hoạt động thực tế của các khe hở phóng điện

không khí. Khi điện áp trên 2 cực của khe hở đạt giá trị điện áp đánh thủng

thì không phải khe hở lập tức phóng điện mà phải trải qua một thời gian trễ,

khoảng thời gian trễ này còn gọi là thời gian chậm phóng điện phụ thuộc

vào độ dốc của xung quá áp đặt vào.

Ở trạng thái hồ quang bùng cháy, giá trị điện áp hồ quang khá ổ định.

Giá trị điện áp hồ quang điển hình cho hầu hết khe hở phóng điện hạ áp

thường là 10 – 25V. Trong mô hình được đề nghị điện áp hồ quang được

thay thế bằng giá trị điện trở hồ quang Rarc (1 -2mΩ) nối tiếp với khóa đóng

cắt.

Mô hình khe hở không khi ở trên đây là thiết bị hai cực với đặc tính hai

chiều (dòng thuận và dòng ngược đối xứng). Một điều lưu ý là khóa đóng

Trang 68

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

cắt của khe hở không khí sẽ không thể chuyển sang trạng thái “off” khi

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

cường độ dòng điện giảm xuống dưới cường độ dòng điện duy trì (thường

là 100mA) hay điện áp sụt dưới điện áp phát sinh hồ quang.

Thông số của mô hình được xác định từ số liệu trên thiết bị được cho

bởi nhà sản xuất:

-Điện áp đánh thủng Vbreak

-Thời gian trễ hay thời gian trì hoãn chậm phóng điện tt.

4.1.2. Xây dựng sơ đồ khối mô hình Spark Gap

-Khối đóng cắt SC: Khối V1 (Voltage measurement) đo điện áp ở hai

của khe hở, sau đó tín hiệu điện áp liên tục này được chuyển sang tín hiệu

rời rạc (nhằm tăng tốc quá trình xử lý, tránh các vòng lặp đại số) bởi khối

Transfer Fcn có chu kỳ lấy mẫu là 0.001s. Tín hiệu điện áp ra của khối

Transfer Fcn được lấy trị tuyệt đối qua khối Abs và đi vào khối so sánh

(Compare to Constant) để so sánh với giá trị điện áp đánh thủng Vb của khe

hở. Khi điện áp ở hai cực khe hở vượt quá giá trị điện áp đánh thủng thì ngõ

ra của khối Compare to Constant sẽ xuất hiện tín hiệu điều khiển (logic 1)

đóng khóa Breaker. Tuy nhiên trong thực tế khe hở không khí chỉ bị đánh

thủng sau một khoảng thời gian trễ hay còn gọi là thời gian chậm phóng

điện, do đó tín hiệu đóng khóa Breaker được đưa qua một khối thời gian trễ

Hình 4.2. Sơ đồ khối điều khiển SC

(Unit delay) có thời gian trễ là td.

-Khối khe hở: Sơ đồ trong Hình 4.1 được xem tương đương với khối

Breaker, hai phần tử điện trở R1, Rarc của mô hình được khai báo trong khối

Breaker. Như đã trình bày ở phần trên, điện trở rò R1 của khe hở có giá trị

là 100MΩ được khai báo trong thông số Snubber resistance Rs, điện trở hồ

Trang 69

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

quang Rarc có giá trị là 1mΩ được khai báo trong thông số Breaker

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

resistance Ron. Ở đây khối Breaker sử dụng tín hiệu điều khiển đóng cắt từ

bên ngoài (External control mode), trạng thái ban đầu của khóa là mở

Hình 4.3. Khai báo các thông số trong Breaker

(thông số Initial state bằng 0).

-Liên kết khối điều khiển đóng cắt với khe hở lại thành sơ đồ mô

Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng phóng điện khe hở không khí trong MatLab

Trang 70

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

phỏng đơn giản hóa có dạng:

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Tạo bảng khai báo thông số điện áp đánh thủng và thời gian trễ của

thiết bị chống sét cần mô phỏng bằng cách sử dụng chức năng Mask Editor

để thuận tiện cho việc mô phỏng các khe hở không khí có các thông số khác

nhau.

Hình 4.5. Các thông số cần khai báo cho mô hình Spark Gap

Các thông số cần khai báo trước khi tiến hành mô phảng như Hình 4.5.

Để tạo biểu tượng cho khối chống sét khe hở, trong thẻ Icom, sử

dụng hàm plot(x,y) vẽ biểu tượng Spark Gap cho mô hình.

Plot([0 0],[-100 -20],[0 0],[100 20],[0.01 0],[-60 -10],[-0.01 0],[-60 -

10],[0.010] ,

Trang 71

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

[60 10],[-0.01 0],[60 10])

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.6. Tạo biểu tượng cho mô hình trong MATLAB

Hình 4.7. Biểu tượng mô hình khe hở phóng điện không khí Spark Gap

Nhấn nút Apply và lúc này mô hình có dạng Hình 4.7.

4.1.3. Mô phỏng mô hình Spark Gap

Theo tiêu chuẩn IEC 61643-1 (surge protective devices connected to

low-voltage power distribution sytems), yêu cầu thử nghiệm cho các thiết bị

chống sét cấp I như sau:

-Thử nghiệm phóng điện đối với xung dòng chuẩn 8/20µs, biên độ

của xung dòngđược chọn 1 trong các số liệu sau: 1kA, 2kA, 5ka,

10kA, 20kA.

-Thử nghiệm phóng điện đối với xung ap chuẩn 1,2/50µs.

-Giá trị của cấp điện áp bảo vệ (điện áp phóng điện) theo các chuẩn

sau: 0,08; 0,09; 0,1; 0,12; 0,15; 0,22; 0,33; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9;

Trang 72

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

1; 1,2; 1,5; 1,8; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8 và 10kV.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Mô hình Spark Gap vừa tạo được kết nối vào mạch điện, sử dụng

nguồn phát xung đưa xung áp và xung dòng vào mạch điện để kiểm tra đáp

ứng của mô hình so với khe hở phóng điện không khí trong thực tế. Sơ đồ

Hình 4.8. Sơ đồ mạch mô phỏng Spark Gap với nguồn xung áp

mô phỏng Spark Gap với nguồn xung áp như Hình 4.8.

Tiến hành mô phỏng với một Spark Gap của hãng EPCOS loại SSG3X-

1 có điện áp đánh thủng là 3000V và thời gian trễ là 50ns. Sử dụng nguồn

xung áp 1.2/50µs có biên độ là 5kV.

Khai báo các thông số cho nguồn xung áp và Spark Gap như Hình 4.9

Trang 73

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

và Hình 4.10.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.9.Khai báo các thông số của mô hình nguồn xung áp

Hình 4.10. Khai báo các thông số của mô hình Spark Gap

Trang 74

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.11.Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker = 3kA với xung áp 1.2/50µs 5kV

Kết quả mô phỏng như Hình 4.11.

Từ đồ thị mô phỏng cho thấy đáp ứng của mô hình khe hở không khí có

dạng giống với đặc tính V – t của khe hở thực. Giá trị điện áp đánh thủng

của mô hình là 3395V thấp hơn giá trị thử nghiệm cực đại cho trong

Catalogue của của khe hở là 3900V. Kết quả đã minh chứng đáp ứng của

mô hình là phù hợp với khe hở không khí trong thực tế.

Tiếp tục thử nghiệm mô phỏng với Spark Gap DGP B255 của hãng

DEHN có điện áp đánh thủng 3000V và thời gian trễ là 50ns. Sử dụng

nguồn xung áp 1.2/50µs có biên độ là 10kV. Kết quả mô phỏng như Hình

Trang 75

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

4.12.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.12. Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker = 3kV với xung áp 10/700µs 10kV

Hình 4.13. Sơ đồ mạch mô phỏng Spark Gap với nguồn xung dòng

Sơ đồ mô phỏng Spark Gap với nguồn xung dòng như Hình 4.13.

Thực hiện mô phỏng cho Spark Gap của hãng PHOENIX CONTACT

loại FLASHTRAB FLT-PLUS có điện áp đánh thủng là 3000V và thời gian

trễ là 30ns. Sử dụng nguồn xung dòng 8/20µs có biên độ là 5kA.

Trang 76

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

Kết quả mô phỏng như Hình 4.14 và Hình 4.15.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.14. Dạng sóng xung dòng 8/20µs 5kA

Hình 4.15. Đáp ứng của SG

Thử nghiệm với nguồn xung dòng 10/350µs với biên độ 3kA và kết quả

Trang 77

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

mô phỏng như Hình 4.16 và Hình 4.17.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.16. Dạng sóng xung dòng 10/350µs 5kA

Hình 4.17. Đáp ứng của SG

Nhận xét:

-Thời gian đáp ứng của khe hở khi thí nghiệm bởi xung dòng luôn nhỏ

Trang 78

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

hơn nhiều so với thí nghiệm đối với xung áp.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

-Đáp ứng của mô hình khe hở phóng điện theo đúng yêu cầu của nhà

sản xuất, giá trị điện áp đánh thung của mô hình luôn thấp hơn giá trị điện

áp đánh thủng cực đại cho trong đặc tính thiết bị chống sét của nhà sản xuất

là 4000V và phù hợp với yêu cầu theo tiêu chuẩn IEC.

4.2. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN TỰ KÍCH TRIGGERED SPARK

GAP

4.2.1. Mô hình Triggered Spark Gap

Triggered Spark Gap là mô hình tiên tiến hơn so với với mô hình Spark

Gap truyền thống, yêu cầu cơ bản đặt ra khi xây dựng mô hình là cấp điện

áp bảo vệ < 1,5kV, đối với nguồn xung sét có biên độ lớn (20kA) điện áp

phóng điện khe hở < 2kV.

Khoảng cách khe hở của TSG được xem là cố định, không thay đổi so

với SG. Khi có tính hiệu nguồn xung đưa vô mô hình, điện áp mồi sẽ được

kích hoạt và nhờ sự khuếch đại biên độ, vì vậy sự phóng điện của mô hình

TSG sẽ xảy ra sớm hơn và cấp bảo vệ cũng thấp hơn so với mô hình SG.

Sơ đồ khối của Triggered Spark Gap có điện trở phi tuyến được đề nghị

Hình 4.18. Sơ đồ cấu tạo Triggered Spark Gap với điện trở phi tuyến

như Hình 4.18

Trang 79

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

Khối điều khiển được xây dựng giống như trong mô hình Spark Gap.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.19. Sơ đồ khối điều khiển

Cấu tạo của khối điện trở khe hở không khí được xây dựng dựa trên ý

Hình 4.20. Sơ đồ cấu tạo của khối điện trở phi tuyến

tưởng từ mô hình điện trở phi tuyến của IEEE.

Sơ đồ mô hình Triggered Spark Gap với điện trở phi tuyến đã được xây

dựng xong, kết nối mô hình vào sơ đồ mạch để thực hiện mô phỏng.

Hình 4.21. Sơ đồ mạch mô phỏng đáp ứng của chống sét TSG

4.2.2. Mô phỏng mô hình Triggered Spark Gap

Trang 80

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

Khai báo các thông số yêu cầu của mô hình TSG như Hình 4.22.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.22. Khai báo thông số cho TSG

Thực hiên mô phỏng cho chống sét loại 1 130-2S_ERICO với xung

Hình 4.23. Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 3kA

dòng 8/20µs 3kA, thu được kết quả như Hình 4.23.

-Đáp ứng của khe hở: Umax = 1260V < Up (1500).

Thực hiện mô phỏng cho chống sét loại1130-2S_ERICO với xung dòng

Trang 81

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

8/20µs 5kA, thu được kết quả như Hình 4.24.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Hình 4.24. Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 5kA

-Đáp ứng của khe hở: Umax = 1335V < Up (1500V).

Thực hiện mô phỏng cho chống sét loại 1130-2S_ERICO với xung

Hình 4.25. Đáp ứng của mô hình TSG với biên độ xung 20kA

dòng 8/20µs 20kA, thu được kết quả như Hình 4.25.

-Đáp ứng của khe hở: Umax = 1632V < Up (2000V).

Tiếp tục thử nghiệm cho chống sét của hãng SCHITEC loại S-100, Up <

Trang 82

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

2kA, t < 100ns.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 10/350µs 3kA, thu được kết quả

Hình 4.26. đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 10/3350µs 3kA

như Hình 4.26.

-Đáp ứng của khe hở: Umax = 1632V < Up.

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 10/350µs 3kA, thu được kết quả

Hình 4.27. Đáp ứng của mô hình TSG với xung 10/350µs 10kA

Trang 83

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

như Hình 4.27.

Chương 4: Mô hình khe hở phóng điện không khí

GVHD: PGS TS Quyền Huy Ánh

Nhận xét: Đáp ứng của mô hình đạt yêu cầu bảo vệ và đạt độ rộng của

xung áp đặt trên khe hở thay đổi tùy thuộc vào công suất của nguồn xung

Trang 84

HVTH:Nguyễn Hoàng Minh

sét.

85

CHƯƠNG 5

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN BẢO VỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP

5.1 GIỚI THIỆU

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.

Luận văn này dựa vào thông số điện áp thông qua nhằm đánh giá, so sánh khả

năng bảo vệ của TBBV. Từ đó rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến 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.

Mô hình thử nghiệm được sử dụng trong luận văn là một tòa nhà nằm trong khu

vực nội thành. Theo tiêu chuẩn IEEE 587 chia khu vực bảo vệ tòa nhà nằm trong

khu vực nội thành cấp 3 A, B, C. Tương ứng với từng khu vực mà các thiết bị

chống sét trên đường nguồn phải được thử nghiệm với các xung sét tiêu chuẩn

tương ứng (Hình 5.1).

86

Hình 5.1. Các dạng xung sét tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn IEEE 587

Xung sét tiêu chuẩn sử dụng thực hiện mô phỏng trong luận văn này là dạng

xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs.

Sau đây là phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên

đường nguồn hạ áp.

5.2. CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan

truyền trên đường nguồn hạ áp đó là công nghệ chống sét. Để so sánh hiệu quả bảo

vệ của các công nghệ chống sét lan truyền, người thực hiện đã tiến hành lập mô

hình mô phỏng bằng phần mềm Matlab.

Mô hình thử nghiệm là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành. TBBV được

đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà (Cat C) lần lượt sử dụng các

công nghệ SG (Spark Gap), TSG (Triggered Spark Gap) và MOV Metal Oxide

Varistor). Vị trí tủ phân phối chính cách tải tiêu thụ 10m. Dây dẫn trong tòa nhà có

tiết diện 2.5mm2, r0 = 7.41Ω/km, x0 = 0.08 Ω/km. Tải tiêu thụ là một thiết bị điện tử

nhạy cảm với các thông số như sau: Uđm = 230V, cosφ = 0.8, Il = 2A. Tính được P =

368W, Q = 276VAR.

87

Hình 5.2. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ SG

5.2.1. TBBV sử dụng công nghệ SG

Lần lượt khai báo thông số cho các phần tử trong mô hình như Hình 5.3,

Hình 5.3. Các thông số của nguồn xung động

Hình 5.4, Hình 5.5, Hình 5.6.

88

Hình 5.4. Các thông số của SG

Hình 5.5. Các thông số của tải tiêu thụ

89

Hình 5.6. Các thông số dây dẫn

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu

Hình 5.7. Dạng sóng xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs

được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.8.

90

Hình 5.8. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng SG, xung dòng 20kA 8/20µs

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu được kết

Hình 5.9. Dạng xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs

quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.10.

91

Hình 5.10. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng SG, xung dòng 3kA 8/20µs

Hình 5.11. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ TSG

5.2.2. TBBV sử dụng công nghệ TSG

Hình 5.12. Các thông số của TSG

Khai báo thông số cho thiết bị bảo vệ TSG như Hình 5.12.

92

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu

Hình 5.13. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng TSG, xung dòng 20kA 8/20µs

được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.13.

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu

Hình 5.14. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng TSG, xung dòng 3kA 8/20µs

được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.14.

93

Hình 5.15. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ MOV

5.2.3. TBBV sử dụng công nghệ MOV

Hình 5.16. Các thông số của MOV

Khai báo thông số cho thiết bị bảo vệ MOV như Hình 5.16.

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu

được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.17.

94

Hình 5.17. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng MOV, xung dòng 20kA 8/20µs

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu

Hình 5.18. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng MOV, xung dòng 3kA 8/20µs

được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.18.

5.2.4. So sánh hiệu quả bảo vệ của công nghệ SG, TSG, MOV

Biểu diễn điện áp thông qua tải tiêu thụ trên cùng đồ thị khi thực hiện mô

phỏng xung sét tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs như Hình 5.19 và 5.20.

95

Hình 5.19. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 5.20. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 3kA 8/20µs

Từ những kết quả mô phỏng trên, thu được bảng so sánh giá trị điện áp

thông qua trong ba trường hợp TBBV sử dụng công nghệ SG, TSG, MOV như

Bảng 5.1.

96

STT

Xung sét

Điện áp thông qua (V)

Sai lệch giữa

Sai

lệch giữa

Ghi

tiêu chuẩn

SG và MOV

chú

SG

TSG

MOV

TSG và MOV

8/20s

1

3715

1556

1390

63%

11%

20kA

8/20s

2

3073

1516

913

70%

40%

3kA

Bảng 5.1. So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp SG, TSG, MOV

Nhận xét:

-Điện áp thông qua trong cả ba trường hợp sử dụng SG, TSG, MOV điều

tăng khi tăng theo biên độ của xung sét, cụ thể là:

+ Đối với trường hợp sử dụng SG, điện áp thông qua tải tiêu thụ tăng từ

3073V lên 3715V (chênh lệch 19%) trong khi biên độ xung sét tăng từ

3kA lên 20kA (chênh lệch 85%).

+ Đối với trường hợp sử dụng TSG, điện áp thông qua tải tiệu thụ tăng từ

1516V lên 1556V (chênh lệch 3%) trong khi biên độ xung sét tăng từ

3kA lên 20kA (chênh lệch 85%).

+ Đối với trường hợp sử dụng MOV, điện áp thông qua tải tiệu thụ tăng

từ 913V lên 1390V (chênh lệch 35%) trong khi biên độ xung sét tăng từ

3kA lên 20kA (chênh lệch 85%).

-Điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng MOV luôn thấp hơn điện áp

thông qua trong trường hợp sử dụng SG và TSG khi biên độ xung sét thay đổi.

-Đối với những tòa nhà ở khu vực nội thành những cú sét cảm ứng lan

truyền thì nếu sử dụng một TBBV đặt tại ngõ vào tòa nhà thì sử dụng thiết bị

bảo vệ với công nghệ MOV là tốt nhất.

Từ những phân tích ở trên nhận thấy điện áp thông qua ứng với xung sét

20kA 8/20µs trong trường hợp TBBV sử dụng công nghệ MOV vào khoảng

1390V, thấp hơn nhiều so với điện áp thông qua trường hợp TBBV sử dụng

công nghệ TSG (khoảng 1556V), và điện áp thông qua trong trường hợp

97

TBBV sử dụng công nghệ SG (khoảng 3715V). Điện áp thông qua này đủ để

bảo vệ các hệ thống cơ điện, hệ thống lạnh, hệ thống chiếu sáng. Tuy nhiên

đối với hệ thống thiết bị điện tử viễn thông, hệ thống máy tính, PLC thì với

điện áp thông qua này vẫn có thể làm hư hỏng thiết bị.

Hình 5.21 Cho thấy mối quan hệ giữa điện áp và thời gian gây ra hư hỏng

đối với các thiết bị điện tử, máy tính.

Hình 5.21. Đường bao đặc tính điện áp đối với thiết bị điện tử nhạy cảm

Điện áp thông qua tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ trường hợp sử dụng thiết

bị bảo vệ MOV là 1390V, tăng 504% so với giá trị định mức trong khoảng

thời gian 0,04µs. Tra vào đặc tuyến bảo vệ Hình 5.21, thấy rằng thiết bị cần

bảo vệ đã nằm ngoài phạm vi bảo vệ, cho nên sẽ dẫn đến hư hỏng đối với các

thiết bị điện tử nhạy cảm. Do đó, để có thể bảo vệ an toàn cho các thiết bị điện

tử nhạy cảm cần phải lựa chọn phối hợp bảo vệ giữa các TBBV.

98

5.3. PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP

5.3.1.Phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng

Mô hình thử nghiệm là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành. TBBV

được đặt tại vị trí tương ứng với phối hợp bảo vệ hai tầng. TBBV ở tầng 1

(Cat C) được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà, sử dụng thiết

bị TSG, MOV hoặc SG, TBBV ở tầng 2 (Cat B) được đặt tại tủ phân phối

cách vị trí tủ phân phối chính 10m, sử dụng thiết bị MOV – 8kA. Vị trí tủ

phân phối phụ đặt TBBV tầng 2 này cách tải tiêu thụ 10m. Dây dẫn trong tòa

nhà có tiết diện 2.5mm2, r0 = 7.41Ω/km, x0 = 0.08 Ω/km. Tải tiêu thụ là một

thiết bị điện tử nhạy cảm có các thông số như sau: Uđm = 230V, Cosφ = 0.8, IL

= 2A, P = 368W, Q = 276VAR.

Hình 5.22. Mô hình thử nghiệm phân phối bảo vệ 2 tầng (TSG1 – MOV2)

5.3.1.1. Trường hợp 1 (TBBV tầng 1 sử dụng TSG, tầng 2 sử dụng MOV)

Khai báo thông số cho các phần tử trong mô hình như Hình 5.23 và

Hình 5.23. Các thông số của TSG1

Hình 5.24.

99

Hình 5.24. Các thông số của MOV2

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu

Hình 5.25. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2 Xung dòng

20kA 8/20µs

được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.25.

100

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu

Hình 5.26. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2, xung

dòng 3kA 8/20µs

được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.26.

Hình 5.27. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 2 tầng (MOV1-MOV2)

5.3.1.2. Trường hợp 2 (TBBV tầng 1 sử dụng MOV, tầng 2 sử dụng MOV2)

Khai báo thông số cho các phần tử trong mô hình như Hình 5.28 và Hình

5.29.

101

Hình 5.28. Các thông số của MOV1

Hình 5.29. Các thông số của MOV2

102

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và

3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.31,

Hình 5.30. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng MOV2-MOV2 xung

dòng 20kA 8/20µs

Hình 5.31. Điện áp thông qua tải trường hợp phới hợp bảo vệ 2 tầng MOV1-MOV2

xung dòng 3kA 8/20µs

Hình 5.31.

103

Hình 5.32. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 2 tầng (SG1-MOV2)

5.3.1.3. Trường hợp 3 (TBBV tầng 1 sử dụng SG, tầng 2 sử dụng MOV)

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và

3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tại hai đầu cực của tải tiêu thụ

Hình 5.33. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng SG1-MOV2,

xung dòng 20kA 8/20µs

như Hình 5.33, Hình 3.34.

104

Hình 5.34. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng SG1-MOV2,

xung dòng 3kA 8/20µs

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

TSG1-MOV, MOV1-MOV2 và SG1-MOV2

Biểu diễn điện áp thông qua tải tiêu thụ trên cùng một đồ thị khi thực hiện

Hình 5.35. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 20kA 8/20µs

mô phỏng xung sét tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs như Hình 5.356.

105

Biểu diễn điện áp thông qua tải tiêu thụ trên cùng một đồ thị khi thực hiện

Hình 5.36. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 3kA 8/20µs

mô phỏng xung sét tiêu chuẩn 3kA 8/20µs như Hình 5.36.

Từ những kết quả mô phỏng trên, thu được bảng so sánh giá trị điện áp

thông qua trong ba trường hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2, MOV1-MOV2

STT

Xung sét

Điện áp thông qua (V)

Sai

lệch

Sai

lệch

Ghi

tiêu

giữa SG1

giữa MOV1

chú

SG1 –

MOV1 –

TSG1 –

chuẩn

– MOV2 và

– MOV2 và

MOV2

MOV2

MOV2

TSG1

TSG1

–

1

99

94

555

– MOV2 44%

MOV2 41%

8/20s

0

8

20kA

2

77

79

754

2%

5%

8/20s

3

5

3kA

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

như Bảng 5.2.

Nhận xét:

-Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp

bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1-MOV2 luôn thấp hơn điện áp thông qua trong

trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng MOV1-MOV2

106

và mô hình SG1-MOV1 khi thay đổi dòng xung sét. Do đó, mô hình TSG1-

MOV2 bảo vệ hiệu quả hơn hai mô hình còn lại đối với bảo vệ chống sét

lan truyền trên đường nguồn hạ áp cho một tòa nhà nằm trong khu vực nội

thành.

-Điện áp thông qua tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ trường hợp phối hợp bảo

vệ quá áp 2 tầng TSG1-MOV2 là 555V, tăng 241% so với giá trị định mức

trong khoảng thời gian 20µs. Tra vào đặt tuyến bảo vệ Hình 5.21, thấy rằng

thiết bị cần bảo vệ đã nằm trong phạm vi bảo vệ, cho nên các thiết bị điện

tử nhạy cảm sẽ được bảo vệ an toàn. Tuy nhiên đối với những tải có tính

chất quan trọng thì việc phối hợp bảo vệ quá áp không chỉ dừng lại ở phối

hợp bảo vệ 2 tầng mà còn phải phối hợp bảo vệ 3 tầng.

5.3.2. Phối hợp bảo vệ quá áp 3 tầng

Mô hình thử nghiệm là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành.TBBV

được đặt tại ba vị trí tương ứng với hợp bảo vệ ba tầng. TBBV ở tầng 1 (cat C)

được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà, sử dụng thiết bị

TSG. Thiết bị bảo vệ ở tầng 2 (Cat B) được đặt tại tủ phân phối phụ cách vị trí

phân phối chính 10m, sử dụng thiết bị MOV – 8kA. Thiết bị bảo vệ tầng 3

(Cat A) được đặt tại tủ điều khiển tải tiêu thụ cách vị trí tủ phân phối phụ 10m,

sử dụng thiết bị MOV 6.5kA. Vị trí điều khiển đặt thiết bị bảo vệ tầng 3 này

cách tải tiêu thụ 10m. Dây dẫn trong tòa nhà có tiết diện 2.5mm2, r0 =

7.41Ω/km, x0 = 0.08 Ω/km. Thông số tải: Uđm = 230V, cosφ = 0.8, IL = 2A, p

Hình 5.37. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 3 tầng (TSG1-MOV2-MOV3)

= 369W, Q = 276VAR.

107

Khai báo thông số cho các phần tử trong mô hình như ở Hình 5.38, Hình

Hình 5.38. Các thông số của TSG1

Hình 5.39. Các thông số của MOV2

Hình 5.40. Các thông số của MOV3

5.39 và Hình 5.40.

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và

3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.41 và

Hình 5.42.

108

Hình 5.41. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 3 tầng TSG1-MOV2-MOV3,

xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 5.42. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 3 tầng TSG1-MOV2-MOV3,

xung dòng 3kA 8/20µs

109

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

và ba tầng

Từ những kết quả mô phỏng trên thu được bảng so sánh giá trị điện áp

thông qua trong hai trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2 và phối

Dạng sóng

Sai

Điện áp thông qua (V)

Stt

xung sét

leäch

Ghi chuù

TSG1-MOV2

TSG1-MOV2-MOV3

555

tiêu chuẩn 8/20s

506

12%

1

20kA

754

8/20s

729

5%

Bảng 5.3. So sánh điện áp thông qua trong 2 trường hơp TSG1-MOV2 và TSG1-MOV2- 2

3kA

MOV3

hợp bảo vệ 3 tầng TSG1-MOV2-MOV3 như Bảng 5.3.

Nhận xét:

-Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp

bảo vệ quá áp 3 tầng TSG1-MOV2-MOV3 luôn thấp hơn điện áp thông qua

trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1-

MOV2 khi thay đổi biên độ dòng xung sét. Do đó, mô hình phối hợp bảo vệ

3 tầng bảo vệ tốt hơn so với mô hình phối hợp bảo vệ 2 tầng.

-Điện áp tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ trường hợp phối hợp bảo vệ quá áp

3 tầng TSG1-MOV2-MOV3 là 506V, tăng 220% so với giá trị định mức

trong khoảng thời gian 20µs. Tra vào đặc tuyến bảo vệ Hình 5.21, thấy rằng

thiết bị cần bảo vệ đã nằm trong phạm vi bảo vệ, cho nên các thiết bị điện

tử nhạy cảm sẽ được bảo vệ an toàn. Trường hợp này có thể bảo vệ cho các

thiết bị quan trọng.

110

5.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT

Theo quan điểm của một số nhà sản xuất thiết bị chống sét thì có hai quan điểm

về thiết bị lọc sét.

Quan điểm thứ nhất cho rằng không cần sử dụng thiết bị lọc sét trong hệ thống

bảo vệ sét của tòa nhà, bởi vì họ cho rằng cảm kháng trên đường dây trong tòa nhà

có thể thay thế có thể thay thế cuộn cảm của thiết bị lọc sét. Do đó, chỉ cần sử dụng

thiết bị cắt sét cho hệ thống bảo vệ của tòa nhà, không cần thiết bị lọc sét tại tải tiêu

dùng.

Quan điểm thứ hai cho rằng cần phải sử dụng thiết bị lọc sét cho hệ thống bảo vệ

của tòa nhà, theo họ thì cảm kháng trên đường dây dẫn không đủ lớn để trở thành

thiết bị lọc sét. Do đó phải sử dụng thiết bị lọc sét tại tải tiêu dùng.

Để thấy được hiệu quả bảo vệ của thiết bị lọc sét, người thực hiện đã tiến hành

lập mô hình mô phỏng hai truong hợp sau đây.

5.4.1. Trường hợp 1 (bảo vệ một tầng + thiết bị lọc sét)

Mô hình thử nghiệm là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành. Thiết bị

cắt sét được đặt tại một vị trí (Cat C) tại tủ phân phối chính ngay tại ngỏ vào

tòa nhà, sử dụng thiết bị MOV – 25kA. Vị trí tiêu thụ đặt cách tủ phân phối

chính 10m, dây dẫn trong tòa nhà có tiết diện 2.5mm2, r0 = 7.41Ω/km, x0 =

0.08 Ω/km. Thông số tải Uđm = 230V, cosφ = 0.8, IL = 2A. tính được P =

368W, Q = 276VAR.

Sử dụng bộ lọc sét trong hai trường hợp: L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C =

50µF và L = 150 µH, rL = 17m Ω, C = 50µF.

Mô hình mô phỏng được xây dựng bằng phần mềm Matlab như Hình 5.43.

111

Hình 5.43. Mô hình phối hợp bảo vệ tầng một + bộ lọc sét

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µs trường hợp sử dụng bô

Hình 5.44. 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

lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF, thu được kết quả như Hình 5.44.

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µs trưởng hợp sử dụng bô

lọc sét L = 150 µH, rL = 17m Ω, C = 50µF. Thu được kết quả như Hình 5.45.

112

Hình 5.45. 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

Từ những kết quả mô phỏng trên, thu được bảng so sánh giá trị điện áp

thông qua trong ba trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng không có bộ lọc sét L =

30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF và có bô lọc sét L = 150 µH, rL = 17m Ω, C =

Xung

Điện áp thông qua (V)

Sai lệch giữa không

Sai lệch giữa không có

sét tiêu

có bộ lọc sét và

bộ lọc sét và có bộ lọc

Không

Có bộ lọc

Có bộ lọc

chuẩn

có bộ lọc sét (L

sét(L=150µH,rL=

có bộ

sét (L =

sét (L =

= 30µ H,

17m, C =50µ F)

lọc sét

30µ H,

150µ H,

rL=1.7m, C =50µF)

rL=1.7m,

rL=17m,

1389

34%

70%

8/20s

911 C = 50µ F)

417 C = 50µ F)

Bảng 5.4. So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ một

20kA

tầng + bộ lọc sét

50µF như Bảng 5.4.

Nhận xét:

-Điện áp thông qua tại đầu cực tải tiêu thụ trong trường hợp bảo vệ quá áp 1

tầng sử dụng bộ lọc sét thấp hơn nhiều so với trường hợp bảo vệ quá áp 1

tầng không sử dụng bộ lọc sét.

113

-Trong trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng có sử dụng bô lọc có giá trị cảm

kháng càng lớn thì khả năng lọc của bộ lọc càng lớn và điện áp thông qua

tải tiêu thụ càng thấp. Điện dung của tụ lọc trong thực tế thường là 50µF,

muốn tăng khả năng lọc sét của bộ lọc thì phải tăng cảm kháng L, trong

thực tế giá trị L= 15µH, 30 µH, 45 µH….Vì vậy, để an toàn cho thiết bị

nhạy cảm, thì phải tăng cảm kháng L lên đáng kể, nhưng phải đảm bảo điện

áp rơi trên L (∆UL = (ZL+ rL)I ≤ 3V).

Hình 5.46. Mô hình phối hợp bảo vệ hai tầng + bộ lọc sét

5.4.2. Trường hợp 2 (phối hợp bảo vệ hai tầng + thiết bị lọc sét)

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µs trường hợp sử dụng bộ

lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF, thu được kết quả như Hình 5.47.

114

Hình 5.47. 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

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µs trường hợp sử dụng bộ

Hình 5.48. 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

lọc sét L = 150 µH, rL = 17m Ω, C = 50µF, thu được kết quả như Hình 5.48.

115

Từ những kết quả mô phỏng trên, thu được bảng so sánh giá trị điện áp

thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng không có bộ lọc

sét, có bộ lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF và có bộ lọc sét L =

Xung

Điện áp thông qua (V)

Sai lệch

giữa

Sai

lệch

giữa

sét tiêu

không có bộ lọc

không có bộ lọc sét

Không

Có bộ lọc

Có bộ lọc

chuẩn

sét và có bộ lọc

và có bộ lọc sét (L

có bộ

sét (L =

sét (L =

sét (L = 30µ H,

lọc sét

30µ H,

150µ H,

= 150µ H, rL=17mΩ,

rL=1.7mΩ, C =50µ

C =50µ F)

rL=1.7mΩ,

rL=17mΩ,

F)

8/20 µs

942

22%

64%

734 C = 50µ F)

343 C = 50µ F)

20kA

Bảng5.5.So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng có bộ lọc sét

150µH, rL = 17m Ω, C = 50µF như Bảng 5.5.

5.5.NHẬN XÉT

-Điện áp thông qua tại đầu cực tải tiêu thụ trong trường hợp bảo vệ quá áp

hai tầng sử dụng bộ lọc sét thấp hơn nhiều so với trường hợp bảo vệ quá áp

hai tầng không có sử dụng bộ lọc sét.

-Trong trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng có sử dụng bộ lọc có giá trị cảm

kháng càng lớn thì khả năng lọc của bộ lọc càng lớn và điện áp thông qua tải

tiêu thụ càng thấp.

-Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng có

sử dụng bộ lọc luôn thấp hơn trường hợp bảo vệ một tầng có sử dụng bộ lọc

sét khi mà giá trị của bộ lọc sét thay đổi.

116

CHƯƠNG 6

KẾT LUẬN

6.1 KẾT LUẬN

Luận văn đã đi sâu nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống

sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng

trên phần mềm Matlab. Mô hình thử nghiệm mà người thực hiện chọn để mô phỏng

là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành với những xung sét lan truyền trên

đường nguồn hạ áp có dạng sóng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs. Từ việc

phân tích và đánh giá những kết quả mô phỏng, rút ra được các yếu tố ảnh hưởng

sau đây:

1.Ảnh hưởng của công nghệ chống sét

 Đối với những tòa nhà nằm trong khu vực nội thành mà chỉ sử dụng

một TBBV tại vị trí tủ phân phối chính để bảo vệ tòa nhà thì việc sử dụng

TBBV với công nghệ MOV là an toàn nhất vì nó có điện áp thông qua tải tiêu

thụ là nhỏ nhất.

 Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp TBBV sử dụng công

nghệ MOV vào khoảng 1390V thấp hơn nhiều so với điện áp thông qua tải

tiêu thụ trong trường hợp TBBV sử dụng công nghệ TSG (khoảng 1556V) và

điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp TBBV sử dụng công nghệ SG

(khoảng 3715kV). Điện áp thông qua này đủ để bảo vệ các hệ thống điện cơ,

hệ thống lạnh, hệ thống chiếu sáng. Tuy nhiên, đối với hệ thống thiết bị điện

tử viễn thông, hệ thống máy tính, PLC thì với điện áp dư này vẫn có thể làm

hư hỏng thiết bị.

2.Ảnh hưởng của sự phối hợp bảo vệ của các thiết bị chống quá áp

 Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối

hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1 – MOV2 luôn thấp hơn điện áp thông qua tải

117

tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng

MOV1 – MOV2 và SG1 – MOV2 khi thay đổi biên độ dòng xung sét từ 3kA

lên đến 20kA. Do đó, mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng (TSG1 – MOV2)

bảo vệ hiệu quả hơn mô hình phối hợp bảo vệ 2 tầng MOV1 – MOV2 và SG1

– MOV2.

 Điện áp thông qua tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ trường hợp phối hợp

bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1 – MOV2 là 555V, điện áp này đủ để bảo vệ các

thiết bị điện tử nhạy cảm. Tuy nhiên, đối với những tải có tính chất quan trọng

thì việc phối hợp bảo vệ quá áp không chỉ dừng lại ở phối hợp bảo vệ quá áp 2

tầng mà còn cần phải phối hợp bảo vệ 3 tầng.

 Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối

hợp bảo vệ quá áp 3 tầng TSG1 – MOV2 – MOV3 luôn thấp hơn điện áp

thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá

áp 2 tầng TSG1 –MOV2 khi thay đổi biên độ do xung sét. Do đó, mô hình

phối hợp bảo vệ 3 tầng bảo vệ tốt hơn so với mô hình phối hợp bảo vệ 2 tầng.

3.Ảnh hưởng của thiết bị lọc sét

 Đường dây cũng có khả năng lọc sét nhưng khả năng lọc sét của

đường dây không thể bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm. Khi không sử dụng

thiết bị lọc sét thì điện áp thông qua tải rất cao gây hư hỏng thiết bị điện, nhất

là các thiết bị điện tử nhạy cảm. Khi sử dụng thiết bị lọc sét thì điện áp thông

qua tại đầu cực tải tiêu thụ giảm đáng kể.

 Điện dung của bộ lọc trong thực tế thường là 50µF, muốn tăng khả

năng lọc sét của bộ lọc thì phải tăng cảm kháng L, trong thực tế giá trị L =

13µH, 30 µH, 45 µH…. Vì vậy để an toàn cho thiết bị nhạy cảm, thì phải

tăng cảm kháng lên đáng kể, nhưng phải đảm bảo điện áp rơi trên L(∆UL =

(ZL+rL).I 3V).

118

 Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp phối hợp bảo về tầng

có sử dụng bộ lọc sét luôn thấp hơn trường hợp bảo vệ 1 tầng có sử dụng

bộ lọc sét khi cho giá trị điện cảm của bộ lọc sét thay đổi.

Kết quả nghiên cứu sẽ giúp cho người sử dụng có thể lựa chọn phương án bảo vệ

chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp truyền trên đường nguồn hạ áp hợp lý

nhất, đảm bảo những yêu cầu cả về kinh tế lẫn kỹ thuật.

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Trong những điều kiện cho phép đề tài có thể phát triển theo các hướng sau:

+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên

đường nguồn hạ áp đối với những công trình nằm trong khu vực trống trãi,

khu vực ngoại thành.

+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên

đường tín hiệu.

119

Tài Liệu Tham Khảo 1. Đỗ Quang Đạo – Luận văn Thạc sĩ – Nghiên cứu và mô phỏng ảnh hưởng của quá áp do sét trên đường nguồn hạ áp – 2006. 2. Lê Quốc Dân – Ban Viễn Thông, Phạm Hồng Mai–TTTTBĐ – Chống sét cho mạng viễn thông Việt Nam – Những điều bất cập. 3. Nguyễn Cao Cường – Luận văn Thạc sĩ – Nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng hệ thống bảo vệ quá điện áp trên đường nguồn hạ áp – 2005. 4. Mai Thanh Sơn – Luận văn Thạc sĩ – So sánh hiệu quả bảo vệ quá điện áp 2 tầng & 3 tầng trên đường nguồn hạ áp – 2008. 5. Nguyễn Hoàng Minh Vũ – Luận văn Thạc sĩ – Lập mô hình mô phỏng các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét hiện đại trên đường cấp nguồn hạ áp và đường tín hiệu – 2003. 6. TS. Quyền Huy Ánh – Bảo vệ chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn và tín hiệu – Tạp Chí Khoa Học Công Nghệ. 7. TS. Quyền Huy Ánh – Chỉ tiêu đánh giá thiết bị chống xung quá áp – Tập san Sư Phạm Kỹ Thuật số 11. 8. TS. Quyền Huy Ánh – Khe phóng điện tự kích – TSG (Trigger Spark Gap) – Tập san Sư Phạm Kỹ Thuật số 13. 9. TS. Quyền Huy Ánh – Phân tích công nghệ MOV và SAD trong bảo vệ chống sét lan truyền – Tạp Chí Bưu chính Viễn Thông. 10.TS. Quyền Huy Ánh – Thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn – Tạp Chí Bưu chính Viễn Thông. 11.TS. Quyền Huy Ánh – Thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn theo công nghệ TDS – Tạp Chí Bưu chính Viễn Thông. 12.TCN 68 – 135: 1995 Chống sét bảo vệ các công trình viễn thông. 13.TCN 68 – 140: 1995 Chống quá áp, quá dòng để bảo vệ đường dây và thiết bị thông tin. 14.TCN 68 – 174: 1998 Quy phạm chống sét và tiếp đất cho các công trình Viễn Thông. 15.TS. Nguyễn Văn Dũng, TS. Bùi Thanh Giang, KS. Nguyễn Thị Tâm, KS. Nguyễn Minh Tuấn, KS. Vũ Hồng Sơn, KS. Đinh Hải Đăng – Sét và chống sét bảo vệ công trình Viễn thông – Nhà xuất bản Bưu điện – 2001. 16.Arshad Mansoor, Francois D. Martzloff – Driving high surge currents into long cable: more begete less – IEEE – 1997. 17.CCITT – The protection of telecomm lines & equipment against lightning discharges, Chapter 1, 2– 1974. 18. CEI/IEC 61643:1998–02 Norme internationale – international standard Surge protective devices connected to low–voltage power distribution systems – Part 1: Performance requirements and testing method. 19.Dr. Bonnell – Physiscal Property of Ceramic _ Zinc Oxide Varistor 1995. 20.GLT overview of surge arrester co–ordination for lighting protection of low voltage power circuit – Global Lighting Technologies Ltd. 21.How to select the best value surge & transeint protection for your mains equiment, Warwich Beech – Erico Lighting Technologies Ltd

120

22. IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low–Voltage AC Power Circuits, ANSI/IEEE Std. C62.41–1991. 23. IEEE W.G 3.4.11 Modeling of metal oxide surge arrester – IEEE 1992. 24. Jinliang He, Zhiyong Yuan, Jing Xu, Shuiming Chen, Jun Zou, and Rong Zeng – Evaluation of the Effective Protection Distance of Low–Voltage SPD to Equipment – 2005. 25. L.A Kraff – Modeling Lighting Performance of Transmission System Using Pspice, IEEE – 1991. 26. Littelfuse Varistors – Basic properties terminology and theory –AN9767.1– 1999. 27.Manfrad Holzer, Willi Zapsky – Simulation varistor with Pspice. 28. P. M. Wherrett, C. J. Kossmann and J. R. Gumley – New techniques for designing surge protection devices, Erico Lightning Technologies Hobart, Australia. 29. P. Pinceti, M. Giannettoni, A simplified model for zinc oxid surge arrester,IEEE – 1999. 30.Phisical properties of zinc oxide varistors, ABB Power Technology Products. 31. Roger C. Dugan, Mark F. McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beauty – Electrical Power Systems Quality – McGraw–Hill – Chapter 4 – 2003. 32. Roy B.Carpenter, Dr. Yinggang Tu – The secondary effects of lighting activity, Lighting Eliminators and Consultants, USA. 33. S. G. Fedosin, A. S. Kim – The physical theory of ball lightning, Perm State University, Perm, Russia 34.Surge Protection Products – Erico Lighting Technologies Ltd. 35. Technical Note – TNCR 001,002,…015 – Erico Lighting Technologies Ltd. 36. Trainsient Voltage Suppression maual, Third Edition – General Electric Company – 1982, USA – Marvin W.Smith, Michael D. McCormick. 37. Transeint voltage suppressor diodes – Semitron Company. 38. Transeint voltage surge suppression design and correlation, Marcus O. Durham, Karen D. Durham, Robert A. Durham – Member IEEE 39. Zinc oxide varistor – AVX A Kyocera Group Company Siemens Matsushita Components– Metal OxideVaristor–Data Book – 1997. 40.Một số trang web: www.abb.com; www.avx.com; www.littelfuse.com; www.PScad.com;

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 1 :...

Cán bộ chấm nhận xét 2 :...

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM

ngày 22 tháng 04 năm 2012

Thành ph ần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ h ọ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1. PGS TS Phan Th ị Thanh Bình – chủ tịch hội đồng

2. PGS TS Trần Thu Hà - ủy viên

3. TS Nguyễn Thanh Phương - ủy viên – thư ký hội đồng

4. TS Ngô Cao Cư ờng – Phản biện 1

5. TS Huỳnh Châu Duy – Phản biện 2

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Khoa quản lý chuyên ngành sau khi

luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Khoa quản lý chuyên ngành

1

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP STUDY, MODEL AND SIMULATE LOW VOLTAGE SURGE PROTECTORS Nguyễn Hoàng Minh; Quyền Huy Ánh* Khoa điện – điện tử, Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM, Việt nam * Khoa Điện-Điện Tử, Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM

TÓM TẮT

Luận văn nghiên cứu mô hình nguồn phát xung sét , mô hình biến trở kim loại, mô hình khe hở phóng điện không khí, mô hình khe hở phóng điện tự kích và thông số điện áp thông qua để mô phỏng, so sánh, đánh giá từ đó rút ra 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 thiết bị bảo vệ (TBBV) và đánh giá hiệu quả bảo vệ của các thiết bị lọc sét.

ABSTRACT

filtering devices.

This thesis study lightning impulse generators models, metal oxide varistor model, air gap discharge model, the triggered discharge gap model and let through voltage which are simulated, compared, and evaluated drawn from that evaluation factors affecting the effective lightning protection on low voltage source to optimize the security features and enhanced reliability during operation. These factors that influence include: lightning protection technology, the choice to coordinate protection of the protective equipment and evaluate the protective effect of lightning

1.1 Tần suất xuất hiện sét

I. GIỚI THIỆU

Mối quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ dòng sét được trình bày ở Hình 1. giá trị đỉnh dòng sét kA

Hình 1.Quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ

1.2. Dạng xung sét

Dạng xung sét phụ thuộc vào cách thức sét tác

động vào đường dây tải điện hay đường tín hiệu. 1.3. Dạng sóng 10/35µs và 8/20µs

Hiện nay, v iệc 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. Các thông số kỹ thuật được xem xét để đánh giá TBBV 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. Luận văn này dựa vào thông số điện áp thông qua nhằm đánh giá, so sánh khả năng bảo vệ của các TBBV. II. NỘ I D U N G

Dạng sóng 10/35µs thường là xung sét lan truyền do sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không lân cận công trình hoặc đánh trực tiếp vào

1. Tổng quan về chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp

2

Nhập các thông số nguồn xung dòng như Hình 6.

kim thu sét trên đỉnh công trình. Dạng sóng 8/20µs là xung sét lan truyền do sét cảm ứng trên đường dây. Dạng sóng 10/350 µs được biểu diễn trong Hình 2.

Hình 6. Các thông số nguồn xung dòng

Hình 2. Dạng sóng 10/350µs

Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µs biên

độ 20kA thu được kết quả như Hình 7.

Dạng sóng 8/20µs được biểu diễn trong Hình 3.

.

Hình 3. Dạng sóng 8/20µs

2. Mô hình nguồn phát xung 2.1. Xây dựng mô hình nguồn phát xung 2.1.1. Các dạng xung không chu kỳ chuẩn

Hình 7. Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 20kA Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µs

biên độ 3kA thu được kết quả như Hình 8.

Các xung không chu kỳ chuẩn gồm xung dòng điện và xung điện áp là những dạng xung cơ bản rất cần thiết cho việc thử nghiệm các thiết bị bảo vệ quá áp cũng như thử nghiệm cách điện của các thiết bị điện. Dạng sóng của các xung này được trình bày trong Hình 4.

Hình 8. Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 3kA 2.2.2. Mô phỏng nguồn phát xung áp

Hình 4. Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn 2.2. Xây dựng mô hình nguồn phát xung 2.2.1. Mô phỏng nguồn phát xung dòng

Hình 9. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp

Thực hiện mô phỏng với xung áp 1,2/50 µs

Hình 5. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng

biên độ 5kV thu được kết quả như Hình 10.

3

Hình 13. Mô hình MOV hạ thế

= 100MΩ, L và C có giá trị

Với R1= 100nΩ, R2

khác nhau ứng với từng loại MOV khác nhau. 3.3. Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với mô

Hình 10. Dạng sóng nguôn xung áp 1,2/50 µs biên độ 5kV

hình xung dòng 8/20µs

2.3. Kết luận

Sử dụng mô hình xung dòng 8/20µs kiểm tra đáp ứng của mô hình MOV hạ thế vừa xây dựng như sơ đồ hình 14.

Từ các kết quả mô phỏng các nguồn xung cho thấy đáp ứng dạng sóng của mô hình phủ hợp với các thông số yêu cầu, việc sử dụng mô hình rất dễ dàng và là công cụ không thể thiếu trong việc cung cấp nguồn xung để khảo sát đáp ứng của các thiết bị bảo vệ chống sét. 3. Mô hình biến trở Oxide kim loại 3.1. Mô hình MOV của Matlab

Hình 11. Biểu tượng mô hình MOV trong chương trình Matlab Mô hình MOV của Matlab là một điện trở phi tuyến. Đặc tuyến phi tuyến V-I của MOV được thành lâp bởi ba đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ:

1 α i

I

Hình 14. Sở đồ mô phỏng đáp ứng của MOV hạ thế Sử dụng mô hình mô phỏng cho MOV hạ thế của hãng Siemen loại S20K275, B32K275, B40K275 Sử dụng mô hình mô phỏng MOV hạ thế của hãng AVX loại VE13M0275 0K (đường kính đĩa MOV 10mm), và loại VE17M02750K (đường kính đĩa MOV 14mm)

V V

I

ref

ref

 =  k  i 

   

3.4. Kết luận

hình 3.2.

Hộp thoại và các thông số cần khai báo như

Qua các kết qủa tổng hợp từ việc mô phỏng đáp ứng của mô hình MOV hạ thế so sánh với các loại MOV của các nhà sản xuất khác nhau, nhận thấy mô hình MOV hạ thế xây dựng đã đạy mức sai số khá tốt (sai số điện áp dư trên mô hình MOV so với dữ liệu Catalogue được cho bởi nhà sản xuất có giá trị tối đa là 4,9%) và thông số nhập vào lại khá đơn giản, được cung cấp bởi nhà sản xuất. bên cạnh đó, người sử dụng còn có khả năng cập nhật thêm các giá trị cho mô hình khi cần mô phỏng. 4. Mô hình khe hở phóng điện không khí

Hình 12. Hộp thoại của mô hình MOV trong Matlab

3.2. Mô hình MOV hạ thế trên Matlab

Sử dụng Simulink trong Matlab xây dựng mô

hình MOV hạ thế hoàn chỉnh như Hình 13.

Trong tất cả các mô hình của thiết bảo vệ quá áp trên đường nguồn, xây dựng mô hình khe hở phóng điện là một vấn đề rất khó khăn do phải tích hợp cả cơ cấu phóng điện và quá trình phóng điện vào quá trình mô phỏng để tái hiện đáp ứng thật của khe hở phóng điện. Việc mô phỏng các phần tử có độ phi tuyến rất cao như khe hở phóng điện, gây ra một số vấn đề về hội tụ ngay cả khi sử dụng phần mềm Pspice, MATLAB. Trong nội du ng của luận văn này chỉ xem xét các khe hở phóng điện trong miền thời gian.

4

4.1. Mô hình khe hở phóng điện không khí Spark Gap 4.1.1. Mô phỏng mô hình Spark Gap

Sơ đồ mô phỏng Spark Gap với nguồn xung áp

như Hình 15.

Hình 18. Sơ đồ mạch mô phỏng đáp ứng của chống sét TSG Thực hiên mô phỏng cho chống sét loại 1 130- 2S_ERICO với xung dòng 8/20µs 3kA, thu được kết quả như Hình 19.

Hình 15. Sơ đồ mạch mô phỏng Spark Gap với nguồn xung áp Tiến hành mô phỏng với một Spark Gap của hãng EPCOS loại SSG3X -1 có điện áp đánh thủng là 3000V và thời gian trễ là 50ns. Sử dụng nguồn xung áp 1.2/50µs có biên độ là 5kV Kết quả mô phỏng như Hình 16.

Hình 19. Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 3kA

- Đáp ứng của khe hở: Umax = 1260V < Up

(1500).

Tiếp tục thử nghiệm cho chống sét của hãng

Hình 16 .Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker = 3kA với xung áp 1.2/50µs 5kV

SCHITEC loại S-100, U p < 2kA, t < 100ns. Thực hiện mô phỏng với xung dòng 10/350µs 3kA, thu được kết quả như Hình 20.

Tiếp tục thử nghiệm mô phỏng với Spark Gap DGP B255 của hãng DEHN có điện áp đánh thủng 3000V và thời gian trễ là 50ns. Sử dụng nguồn xung áp 1.2/50µs có biên độ là 10kV. Kết quả mô phỏng như Hình 17

= 3kV với

Hình 17. Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker

Hình 20. đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 10/3350µs 3kA -Đáp ứng của khe hở: Umax = 1632V < Up. Thực hiện mô phỏng với xung dòng 10/350µs

3kA, thu được kết quả như Hình 21.

xung áp 10/700µs 10kV 4.1.2. Mô hình Triggered Spark Gap

Triggered Spark Gap là mô hình tiên tiến hơn so với với mô hình Spark Gap truyền thống, yêu cầu cơ bản đặt ra khi xây dựng mô hình là cấp điện áp bảo vệ < 1,5kV, đối với nguồn xung sét có biên độ lớn (20kA) điện áp phóng điện khe hở < 2kV.

Mô phỏng mô hình Triggered Spark Gap

5

Hình 24. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng SG, xung dòng 20kA 8/20µs Thực hiện mô phỏng với nguồn xung tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 25.

Hình 21. Đáp ứng của mô hình TSG với xung 10/350µs 10kA Nhận xét: Đáp ứng của mô hình đạt yêu cầu bảo vệ và đạt độ rộng của xung áp đặt trên khe hở thay đổi tùy thuộc vào công suất của nguồn xung sét. 5. Các yếu tố ảnh hưởngđến bảo vệ chống sét

lan truyền trên đường nguồn hạ áp Phần này nghiên cứu về hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp dựa vào thông số điện áp thông qua để so sánh hiệu bảo của các công nghệ chống sét lan truyền và thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab. 5.1. Công nghệ chống sét 5.1.1. TBBV sử dụng công nghệ SG

Hình 25. Dạng xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs

Hình 22. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ SG Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 23.

Hình 26. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng SG, xung dòng 3kA 8/20µs

5.1.2.TBBV sử dụng công nghệ TSG

Hình 23. Dạng sóng xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs

Hình 27. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ TSG

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 28.

6

Hình 28. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng TSG, xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 32. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng MOV, xung dòng 3kA 8/20µs

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 29.

Biểu diễn điện áp thông qua tải tiêu thụ trên cùng đồ thị khi thực hiện mô phỏng xung sét tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs như Hình 5.12 và Hình 33.

Hình 29. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng TSG, xung dòng 3kA 8/20µs

5.1.3. TBBV sử dụng công nghệ MOV

Hình 33. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 30. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ MOV

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 31.

Hình 34. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 3kA 8/20µs

Điện áp thông qua (V) Sai

Từ những kết quả mô phỏng trên, thu được bảng so sánh giá trị điện áp thông qua trong ba trường hợp TBBV sử dụng công nghệ SG, TSG, MOV như Bảng 1. Xung sét tiêu chuẩn

Ghi chú

STT

SG TSG MOV

lệch giữa SG và MOV

Sai lệch giữa TSG và MOV

Hình 31. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng MOV, xung dòng 20kA 8/20µs

1

1556

1390

63%

11%

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 32.

1516

70%

3715 3073

913

40%

2

8/20µs 20kA 8/20µs 3kA

Bảng 1. So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp SG, TSG, MOV

7

Nhận xét:

Trường hợp 2: TBBV tâng 1 sử dụng MOV, tầng 2 sử dụng MOV2

-Điện áp thông qua trong cả ba trường hợp sử dụng SG, TSG, MOV điều tăng khi tăng theo biên độ của xung sét, cụ thể là:

-Điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng MOV luôn thấp hơn điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng SG và TSG khi biên độ xung sét thay đổi.

Hình 38. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 2 tầng (MOV1-MOV2)

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu

chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 39, Hình 40.

-Đối với những tòa nhà ở khu vực nội thành những cú sét cảm ứng lan truyền thì nếu sử dụng một TBBV đặt tại ngõ vào tòa nhà thì sử dụng thiết bị bảo vệ với công nghệ MOV là tốt nhất. 5.2. Phối hợp bảo vệ quá áp 5.2.1. phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng Trường hợp 1: TBBV tầng 1 sử dụng TSG, tâng 2 sử dụng MOV

Hình 35. Mô hình thử nghiệm phân phối bảo vệ 2 tầng (TSG1 – MOV2)

Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 36.

Hình 39. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng MOV2-MOV2 xung dòng 20kA 8/20µs

Hình 36. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2 Xung dòng 20kA 8/20µs Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 37.

Hình 40. Điện áp thông qua tải trường hợp phới hợp bảo vệ 2 tầng MOV1-MOV2 xung dòng 3kA 8/20µs Trường hợp 3: TBBV tầng 1 sử dụng SG, tầng 2 sử dụng MOV

Hình 41. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 2 tầng (SG1-MOV2) Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tại hai đầu cực của tải tiêu thụ như Hình 42, Hình 43.

Hình 37. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2, xung dòng 3kA 8/20µs

8

- Trong trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng có sử dụng bộ lọc có giá trị cảm kháng càng lớn thì khả năng lọc của bộ lọc càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp.

- Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng có sử dụng bộ lọc luôn thấp hơn trường hợp bảo vệ một tầng có sử dụng bộ lọc sét khi mà giá trị của bộ lọc sét thay đổi. III. KẾT LUẬN

Hình 42. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng SG1-MOV2, xung dòng 20kA 8/20µs

Luận văn đi sâu nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlap. Từ việc phân tích và đánh giá những kết quả mô phỏng, rút ra được các yếu tố ảnh hưởng sau đây:

1. Việc đặt TBBV sử dụng công nghệ SG, TSG hoặc MOV tại vị trí tủ phân phối chính để bảo vệ toàn bộ tòa nhà thì có thể bảo vệ hệ thống cơ đện, hệ thống chiếu sáng, hệ thống lạnh nhưng không thể bảo vệ những thiết bị điện tử nhạy cảm.

2. Phối hợp bảo vệ quá áp hai tầng với

Hình 43. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng SG1-MOV2, xung dòng 3kA 8/20µs

TBBV tầng một sử dụng công nghệ TSG và TBBV tầng hai sử dụng công nghệ MOV có thể bảo vệ cho những thiết bị điện tử nhạy cảm.

5.3. Nhận xét

3. Muốn bảo vệ cho những thiết bị điện tử nhạy cảm mang tính chất quan trọng thì sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp ba tầng hoặc phối hợp giữa thiết bị cắt sét và thiết bị lọc sét.

- Điện áp thông qua tại đầu cực tải tiêu thụ trong trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng sử dụng bộ lọc sét thấp hơn nhiều so với trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng không có sử dụng bộ lọc sét.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. C.Basso, ”Spark Gap Modeling”, Intusof Newsletter, September 1997.

[2]. Mai Thanh Sơn – Luận văn thạc sĩ – So sánh hiệu quả bảo vệ quá điện áp hai tầng và ba

tầng trên đường nguồn hạ áp – 2009.

[3]. Nguyễn Hoàng Minh Vũ – Luận văn Thạc sĩ – Lập mô hình mô phỏng các phần tử phi

tuyến của thiết bị chống sét hiện đại trên đường cấp nguồn hạ áp và đường tín hiệu – 2003.

[4]. Quyền Huy Ánh – Mô hình thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp – Tạp chí

khoa học và công nghệ - 2003.

[5]. Quyền Huy Ánh – Khe phóng điện tự kích – TSG (Trigger Spark Gap) – Tập san Sư

Phạm Kỹ Thuật số 13.

[6]. Trần Tùng Giang – Luận văn Thạc sĩ – Xây dựng mô hình máy phát xung hổn hợp và

biến trở phi tuyến hạ áp – 2003.

[7]. Phạm Phong Vũ – Luận văn thạc sĩ – Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống

sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp – 2009.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

BÁO CÁO LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. QUY ỀN HUY ÁNH

 Học viên thực hiện:  KS. NGUYỄN HOÀNG MINH

Tp. HCM, ngày 22/04/2012

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ở Việt Nam hiện na y, đối với việc lắp đặt hệ thống chống sét lan truyền thì thật là khó khăn để đề ra một phương án bảo vệ hiệu quả với chi phí hợp lý vì có quá nhiều công nghệ, nhiều thiết bị với những thông số và những tính năng khác nhau.

Do đó việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp là điều cần thiết nhằm đưa ra những giải pháp chống sét lan truyền hiệu quả và những khuyến cáo hợp lý cho từng trường hợp cụ thể.

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

1. Giới thiệu tổng quan.

2. Xây dựng mô hình các phần tử cần sử dụng để thực hiện các

thử nghiệm trong luận văn:

Mô hình nguồn phát xung sét

Mô hình biến trở oxide kim loại MOV

Mô hình khe hở phóng điện không khí SG

Mô hình khe hở phóng điện tự kích TSG

3. Tiến hành các thử nghiệm và rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp.(đây cũng là điểm mới của luận văn)

4. Kết luận.

TỔNG QUAN

1.1. XUNG QUÁ ÁP LÀ GÌ?

Xung quá áp là hiện tượng điện áp gia tăng đột ngột (do sét hay do các thao tác đóng cắt có tải trên lưới điện) trong thời gian rất ngắn.

230V - 50 Hz

8000V trong 140µs

460V trong 10s

Xung sét

Xung đóng cắt

Điện áp: 230V

Quá áp t ức thời

Quá áp t ạm thời

TỔNG QUAN

1.2. CÁC DẠNG XUNG SÉT TIÊU CHUẨN

Dạng sóng 10/350µs

Dạng sóng 8/20µs

TỔNG QUAN

1.3. PHÂN VÙNG BẢO VỆ

TỔNG QUAN

1.4. CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN

Công nghệ khe hở phóng điện không khí SG (Spark Gap)

Công nghệ khe hở phóng điện tự kích TSG (Triggered

Spark Gap)

Công nghệ biến trở oxide kim loại MOV (Metal Oxide

Varistor)

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.1.MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT

Dạng xung không chu kỳ chuẩn bao gồm xung dòng điện và xung điện áp:

Phương trình xung dòng điện và điện áp chuẩn có dạng:

−

bt

=

− − at

ti )(

eI (

e

)

−

bt

− − at

= eUtu (

)(

e

)

Dạng sóng xung bao gồm tổng hai thành phần Ie-at và –Ie-bt

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.1.MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT Các giá trị I, a, b được xác định từ các giá trị I1, t1, t2 thông qua các đường cong chuẩn sau:

Đường cong xác định tỉ số b/a

Đường cong xác định tỉ số at1

Đường cong xác định tỉ số I1/I

b/a = 2,859e-005(t2/t1)4 – 0,004598. (t2/t1)3 + 0,2502.(t2/t1)2

+ 3,914.(t2/t1) – 9,286

at1=[4,5352. (b/a)2 – 4,644. (b/a) + 22,45)] /

[1. (b/a)3 + 8,66. (b/a)2 – 20,37. (b/a) + 39,65]

I1/I = [0,9925. (b/a)3 – 3,255. (b/a)2 + 1,809. (b/a) + 2,935] / [1. (b/a)3 + 1,353. (b/a)2 – 16,02. (b/a) +24,51]

Sử dụng công cụ Curve Fitting trong Matlap tìm mối quan hệ giữa các biến số như sau:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.1.MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT

Sơ đồ khối nguồn phát xung sét trong Matlab:

Biểu tượng

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.1. MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT

Kết quả mô phỏng nguồn xung sét tiêu chuẩn:

Dạng sóng xung dòng 3kA 8/20µs

Dạng sóng xung dòng 20kA 8/20µs

Dạng sóng xung áp 5kV 10/700µs

Dạng sóng xung áp 5kV 1.2/50µs

⇒ Đáp ứng dạng sóng của mô hình phù hợp với các thông số yêu cầu.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.2. MÔ HÌNH BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI MOV

Mô hình MOV hạ thế xây dựng dựa trên mô hình MOV của Manfred Holzer và Willi Zapsky Rs=100nΩ, Rp=100M Ω

Ls, Cp có giá trị khác nhau cho từng loại MOV khác nhau Phần tử điện trở phi tuyến có đặc tính V-I theo phương trình:

−

log(I)

log(I)

+

+

+

[b1 b2 log(I) b3e

b4e

]

+

=

V (1 TOL / 100)x10

Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V=f(I):

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.2. MÔ HÌNH BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI MOV

Đoạn chương trình truy xuất các giá trị Ls, Cp, b1, b2, b3, b4

Biểu tượng

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.2. MÔ HÌNH BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI MOV

Thông số kỹ thuật MOV hạ thế của hãng Siemens:

Điện áp phóng điện max với xung 8/20µs (V crest)

Loại

Sai số của điện áp MOV (%)

Điện áp làm việc AC max (V)

Dòng điện xung 8/20µs max (kA crest)

5kA

10kA

275

8

10

1110

-

S20K275

275

25

10

1000

1150

B32K275

275

40

10

960

1100

B40K275

Từ kết quả mô phỏng nhận thấy rằng đáp ứng của mô hình MOV hạ thế đạt mức sai số rất nhỏ so với các loại MOV của các nhà sản xuất khác nhau.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.3. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN KHÔNG KHÍ SG

Sơ đồ khối SG trên Matlab

Biểu tượng SG

Sơ đồ khối SG đề nghị dựa trên mô hình SG của Larsson

p1

SC

R1

) t (

V

Rarc

Sơ đồ mạch mô phỏng

P2

Sơ đồ khối điều khiển

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.3. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN KHÔNG KHÍ SG Thực hiện mô phỏng với Spark Gap DGP B255 của hãng DEHN có điện áp đánh thủng 3000V và thời gian trễ là 50ns.

Thực hiện mô phỏng với một Spark Gap của hãng EPCOS loại SSG3X-1 có điện áp đánh thủng là 3000V và thời gian trễ là 50ns.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.3. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN KHÔNG KHÍ SG

Đáp ứng của SG với nguồn xung dòng 3kA 10/350µs, điện áp đánh thủng 3000V, thời gian trễ 30ns.

Đáp ứng của SG với nguồn xung dòng 5kA 8/20µs, điện áp đánh thủng 3000V, thời gian trễ 30ns.

Từ kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng của mô hình khe hở phóng điện SG đạt yêu cầu bảo vệ và theo đúng yêu cầu của nhà sản xuất.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.4. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN TỰ KÍCH TSG

Sơ đồ khối TSG

Sơ đồ khối điều khiển

Sơ đồ khối điện trở phi tuyến

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

2.4. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN TỰ KÍCH TSG

Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của TSG

Khai báo thông số của TSG

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

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

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

Từ kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng của mô hình TSG đạt yêu cầu bảo vệ và theo đúng yêu cầu nhà sản xuất.

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.1. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN (TBBV)

Xung dòng 3kA 8/20µs

Mô hình thử nghiệm là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành. TBBV được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà (Cat C) lần lượt sử dụng các công nghệ SG, TSG và MOV. Vị trí tủ phân phối chính cách tải tiêu thụ 10m.

Xung dòng 20kA 8/20µs

Mô hình thử nghiệm

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.1. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN (TBBV)

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

STT

Điện áp thông qua (V)

Xung sét tiêu chuẩn

SG

TSG

MOV

Sai lệch giữa TSG và MOV

Sai lệch giữa SG và MOV

1

3715

1556

1390

63%

11%

20kA 8/20µs

2

3073

1516

913

70%

40%

3kA 8/20µs

Điện áp thông qua trong cả ba trường hợp sử dụng SG, TSG

và MOV đều tăng khi tăng biên độ của xung sét.

Nhận xét:

Điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng MOV luôn thấp hơn điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng SG và TSG khi biên độ xung sét thay đổi.

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.1.CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN (TBBV)

Đường bao đặc tính điện áp đối với thiết bị điện tử nhạy cảm

Điện áp thông qua tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ trường hợp sử dụng công nghệ MOV là 1390V, tăng 504% so với giá trị định mức trong khoảng thời gian 0,04 µs.

Điện áp thông qua này đủ để bảo vệ hệ thống cơ điện, hệ thống chiếu sáng, điện lạnh. Tuy nhiên đối với những thiết bị điện tử nhạy cảm thì cần phải có phương án bảo vệ an toàn hơn.

Phương án đề ra là phối hợp bảo vệ quá áp giữa các thiết bị chống quá áp hoặc phối hợp với thiết bị lọc sét.

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.2. PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP HAI TẦNG

Xung dòng 3kA 8/20µs

TBBV ở tầng 1 (Cat C) được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà, sử dụng thiết bị TSG hoặc SG. TBBV ở tầng 2 (Cat B) được đặt tại tủ phân phối phụ cách vị trí tủ phân phối chính 10m, sử dụng thiết bị MOV. Vị trí tủ phân phối phụ đặt TBBV tầng 2 này cách tải tiêu thụ 10m.

Xung dòng 20kA 8/20µs

Mô hình phối hợp bảo vệ quá áp hai tầng

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.2. PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP HAI TẦNG

Bảng so sánh phối hợp bảo vệ hai tầng

STT

Điện áp thông qua (V)

Xung sét tiêu chuẩn

Sai lệch giữa (TH2) và (TH3)

Sai lệch giữa (TH1) và (TH3)

TSG1 – MOV2 (TH3)

MOV1 – MOV2 (TH2)

SG1 – MOV2 (TH1)

1

20kA 8/20µs

990

948

555

44%

41%

2

3kA 8/20µs

773

795

754

2%

5%

Nhận xét:

Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TH3 luôn thấp hơn TH1 và TH2 khi thay đổi biên độ dòng xung sét.

Điện áp thông qua có thể bảo vệ cho thiết bị điện tự nhạy cảm. Tuy nhiên đối với những tải có tính chất quan trọng thì việc phối hợp bảo vệ quá áp không chỉ dừng lại ở phối hợp bảo vệ 2 tầng mà còn cần phải phối hợp bảo vệ 3 tầng.

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 3.3. PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP BA TẦNG

Điện áp thông qua tải với xung dòng 20kA 8/20µs

Mô hình phối hợp bảo vệ ba tầng (TSG1-MOV2-MOV3)

Bảng so sánh hiệu quả bảo vệ giữa phối hợp bảo vệ hai tầng và ba tầng

Điện áp thông qua (V)

Sai lệch

Stt

TSG1-MOV2

TSG1-MOV2-MOV3

1

555

506

12%

Dạng sóng xung sét tiêu chuẩn 20kA 8/20µs 3kA 8/20µs

2

754

729

5%

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT (SRF)

L = 30µH, rL=1.7mΩ, C = 50µF

Sử dụng SRF trong hai trường hợp: L = 30µH, rL=1.7mΩ, C = 50µF và L = 150µH, rL=17mΩ, C = 50µF.

SRF

L = 150µH, rL=17mΩ, C = 50µF

Mô hình phối hợp giữa thiết bị cắt sét 1 tầng và SRF

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT (SRF)

Bảng so sánh điện áp thông qua tải tiêu thụ

Điện áp thông qua (V)

Xung sét tiêu chuẩn

Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 150µH)

Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 30µH)

Có bộ lọc sét (L = 150µH)

Có bộ lọc sét (L = 30µH)

Không có bộ lọc sét

1389

911

417

34%

70%

8/20µs 20kA

Nhận xét:

Điện áp thông qua trong trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng sử dụng bộ lọc sét thấp hơn nhiều so với trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng không sử dụng bộ lọc sét.

Giá trị cảm kháng của bộ lọc càng lớn thì khả năng lọc sét càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp. Tuy nhiên phải đảm bảo điện áp rơi trên L nằm trong phạm vi cho phép (∆UL = (ZL + rL).I ≤ 3V).

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT (SRF)

L = 30µH, rL=1.7mΩ, C = 50µF

Mô hình phối hợp thiết bị cắt sét 2 tầng với SRF

SRF

L = 150µH, rL=17mΩ, C = 50µF

TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

3.4.ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT (SRF)

Bảng so sánh điện áp thông qua tải tiêu thụ

Điện áp thông qua (V)

Xung sét tiêu chuẩn

Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có (L = bộ lọc sét 30µH)

Có bộ lọc sét (L = 150µH)

Có bộ lọc sét (L = 30µH)

Không có bộ lọc sét

lệch giữa Sai không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 150µH)

942

734

343

22%

64%

8/20µs 20kA

Giá trị cảm kháng của bộ lọc càng lớn thì khả năng lọc

Nhận xét:

sét càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp.

Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng có sử dụng bộ lọc luôn thấp hơn trường hợp bảo vệ 1 tầng có sử dụng bộ lọc sét khi cho giá trị của bộ lọc sét thay đổi.

4. KẾT LUẬN

Từ việc phân tích và đánh giá những kết quả mô phỏng, rút ra được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp sau đây:

1. Ảnh hưởng của công nghệ chế tạo thiết bị chống sét lan truyền.

Với việc chỉ sử dụng công nghệ MOV ở ngõ vào tòa nhà nằm trong khu vực nội thành, điện áp thông qua tải tiêu thụ giảm đi 63% so với trường hợp sử dụng SG và 11% so với trường hợp sử dụng TSG .

2. Ảnh hưởng của sự lựa chọn phối hợp bảo vệ quá áp.

Với việc lựa chọn phối hợp bảo vệ hai tầng TSG1-MOV2, điện áp thông qua tải tiêu thụ giảm đi 44% so với trường hợp SG1-MOV2 và 41% so với trường hợp MOV1-MOV2.

Với việc lựa chọn phối hợp bảo vệ ba tầng TSG1-MOV2-MOV3, điện áp thông qua tải tiêu thụ giảm đi 12% so với trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng TSG1-MOV2.

KẾT LUẬN

3. Ảnh hưởng của thiết bị lọc sét

Với việc sử dụng thiết bị lọc sét cho giá trị điện áp thông qua tải giảm đi đáng kể. Điện áp này có thể bảo vệ cho tất cả các hệ thống kể cả những thiết bị điện tử nhạy cảm có tính chất quan trọng.

Giá trị cảm kháng của bộ lọc càng lớn thì khả năng lọc sét càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp. Tuy nhiên chọn giá trị của cảm kháng sao cho độ sụt áp trên L nằm trong phạm vi cho phép (nhỏ hơn 3V).

Chân

thành

cảm

ơn !