(Luận văn thạc sĩ hcmute) bảo vệ quá áp lan truyền trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp vào đường dây phân phối trung áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỖ ANH DUY

BẢO VỆ QUÁ ÁP LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP
KHI SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
VÀO ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI TRUNG ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

S K C0 0 4 3 8 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
……………….

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỖ ANH DUY

BẢO VỆ QUÁ ÁP LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP
KHI SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI
TRUNG ÁP

NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014.

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
……………….

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỖ ANH DUY

BẢO VỆ QUÁ ÁP LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP
KHI SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO ĐƯỜNG DÂY PHÂN PHỐI
TRUNG ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học: PGS, TS. QUYỀN HUY ÁNH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014.

Luan van


MỤC LỤC
Tóm tắt đề tài ........................................................................................................ i

ABSTRACT .......................................................................................................... ii
Danh mục các bảng ............................................................................................iii
Danh mục các hình ............................................................................................. iv
Chương 1: Mở đầu .............................................................................................. 1
1.1 Đặt vấn đề.................................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu và n hiệm vụ của luận văn........................................................... 2
1.3 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 3
1.5 Điểm mới của luận văn ............................................................................. 3
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn .................................................................... 3
1.7 Nội dung của luận văn............................................................................... 3
Chương 2: Tổng quan về sét ................................................................................ 5
2.1.Sự hình thành mây dông và sét .................................................................... 5
2.2.Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét ................................................ 7
2.3. Các thơng số chủ yếu của sét .................................................................... 12
2.4. Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện ..................................................... 13
2.5. Cường độ hoạt động của sét...................................................................... 17
2.6. Cực tính của sét......................................................................................... 17
2.7. Tác hại của dịng điện sét .......................................................................... 18
2.8. Phân loại cơng trình cần bảo vệ ................................................................ 19
Chương 3: Mơ hình các nguồn phát xung sét tiêu chuẩn. .............................. 17
3.1.Các dạng xung không chu kỳ chuẩn .......................................................... 25
3.2.Xây dựng mối liên hệ giữa các thơng số trong mơ hình ............................ 26
3.3. Xây dựng sơ đồ khối ................................................................................. 27
3.4. Thực hiện mô phỏng ................................................................................. 30
3.5. Nhận xét .................................................................................................... 32
Chương 4: Mơ hình chống sét van trung áp và hạ áp ..................................... 31

Luan van

4.1. Cấu tạo của MOV ..................................................................................... 44
4.2.Nguyên lý hoạt động của MOV ................................................................. 48
4.3.Đánh giá mơ hình MOV của MATLAB .................................................... 48
4.4.Xây dựng mơ hình MOV hạ thế ................................................................ 49
4.5.Xây dựng mơ hình MOV trung thế ............................................................ 56
Chương 5: Biện pháp bảo vệ quá áp phía trung áp và hạ áp khi sét đánh
trực tiếp vào đường dây trung áp ................................................. 71
5.1. Mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp do sét đánh trực tiếp trên đường dây
trung áp ............................................................................................. 49
5.2. Mô phỏng hệ thống bảo vệ quá áp khi khơng có chống sét van hạ áp ..... 65
5.3. Mơ phỏng hệ thống bảo vệ quá áp khi có chống sét van hạ áp ................ 65
5.4. Nhận xét .................................................................................................... 65
Chương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển ..................................... 87
Tài liệu tham khảo .............................................................................................. 89

Luan van


Luận văn Thạc sỹ

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt
Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dơng sét. Số ngày có dơng ở
Việt Nam thuộc loại khá lớn (trung bình khoảng 100 ngày dơng/năm).
Q điện áp và q trình q độ do sét trong mạng điện là nguyên nhân chủ
yếu gây ra các sự cố lưới điện và làm hư hỏng các thiết bị lắp đặt trên lưới. Nên
việc đề ra các giải pháp chống sét, lựa chọn, phối hợp các thiết bị bảo vệ phù hợp

và nghiên cứu chế tạo thiết bị chống sét đóng vai trị rất quan trọng trong việc
hạn chế những rủi ro thiệt hại do sét gây ra.
Hiện nay chống sét trực tiếp đã được quan tâm nhiều với các giải pháp từ cổ
điển đến hiện đại. Tuy nhiên, số liệu thống kê chỉ ra hơn 70% hư hỏng do sét gây
ra lại do sét đánh lan truyền hay cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền
tín hiệu.
Thực tế, mạng hạ áp khơng truyền tải công suất lớn nhưng lại trải trên diện
rộng và cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ nên nó lại là ngun
nhân dẫn sét vào cơng trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị. Thống kê cho
thấy, hậu quả không mong muốn của quá áp do sét lan truyền trên mạng phân
phối hạ áp gây ra thiệt hại rất lớn và nhiều lúc không thể đánh giá cụ thể được.
Vấn đề được đề cập một cách cấp bách trong những năm gần đây là các trang
thiết bị điện tử đã trở thành các thiết bị được sử dụng ngày càng nhiều và rất phổ
biến trong các tịa nhà, các cơng trình ở mọi lĩnh vực như bưu chính viễn thơng,
phát thanh, truyền hình, cơng nghiệp… Các thiết bị này vốn rất nhạy cảm với
điện áp cao và cách điện dự trữ của chúng rất mong manh vì thế cần phải tính
tốn lựa chọn, phối hợp và kiểm tra các thiết bị bảo vệ chống sét một cách hiệu
quả, chính xác để tránh xảy ra hư hỏng cho các thiết bị này.
Do các thiết bị chống sét là thiết bị phi tuyến cho nên việc đánh giá các đáp
ứng ngõ ra ứng với sóng sét lan truyền với mức chính xác cao theo phương pháp
HVTH: Đỗ Anh Duy

-1-

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

giải tích truyền thống gặp nhiều khó khăn. Bên cạnh đó, do nước ta vẫn cịn bị
hạn chế về trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phịng thí nghiệm cao áp
cịn khiêm tốn nên rất khó khăn cho cơng tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống
sét lan truyền tại Việt Nam.
Hiện nay, các nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống sét lan
truyền trên đường nguồn hạ áp cùng một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đã đề ra
một số mơ hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm
xây dựng mơ hình khác nhau. Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mơ hình
hóa, mơ phỏng và u cầu về mức độ chính xác, mức tương đồng cao giữa mơ
hình và ngun mẫu, các phương pháp xây dựng mơ hình và mơ phỏng các thiết
bị chống sét lan truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển.
Vì vậy, đề tài tập trung xây dựng mơ hình chống sét van trung áp, chống sét van
hạ áp, các máy phát xung sét tiêu chuẩn tạo cơ sở cho việc mô hình hóa và mơ
phỏng giải pháp chống sét cho các thiết bị trung áp và hạ áp khi sét đánh vào
đường dây trung áp.
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
 Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của chống sét van (Metal
Oxide Varistor - MOV).
 Xây dựng mơ hình chống sét van (MOV) trung áp và hạ áp.
 Xây dựng mơ hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn.
 Xây dựng mơ hình mơ phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống
chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh vào đường dây
trung áp.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
 Nghiên cứu chức năng và hướng dẫn sử dụng phần mềm Matlab, đặc biệt
là công cụ Simulink và hộp công cụ Sim Power Blokset.
 Nghiên cứu, xây dựng mơ hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn dạng sóng
8/20µs, 10/350µs và 1/5µs.
 Nghiên cứu và lập mơ hình chống sét van (MOV) trung áp và hạ áp.

 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống sét lan truyền

HVTH: Đỗ Anh Duy

-2-

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

trên đường nguồn hạ áp khi sét đánh vào đường dây trung áp.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
 Tham khảo tài liệu;
 Phân tích và tổng hợp;
 Mơ hình hóa và mơ phỏng.
1.5. Điểm mới của luận văn
 Xây dựng mơ hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn phù hợp với xung sét
trong thực tế;
 Xây dựng mô hình chống sét van (MOV) có độ chính xác cao phù hợp với
các kết quả thử nghiệm về các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất;
 Đánh giá và đề xuất phương pháp bảo vệ hiệu quả hệ thống chống sét lan
truyền trên đường nguồn hạ áp khi có sét đánh trực tiếp vào đường dây
trung áp và lan truyền qua máy biến áp.
1.6. Giá trị thực tiễn của luận văn
 Cung cấp mơ hình các xung sét tiêu chuẩn và mơ hình chống sét van
(MOV) trung áp và hạ áp phục vụ công tác nghiên cứu đáp ứng của thiết
bị chống sét dưới tác động của xung sét lan truyền và đánh giá hiệu quả

bảo vệ của hệ thống chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp;
 Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo có giá trị cho những ai quan tâm
tới việc 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 trong điều kiện thiếu
phịng thí nghiệm hiện nay.

HVTH: Đỗ Anh Duy

-3-

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

1.7. Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn gồm 6 chương:
Chương 1: Mở đầu.
Chương 2: Tổng quan về sét.
Chương 3: Mơ hình các nguồn phát xung sét tiêu chuẩn.
Chương 4: Mơ hình chống sét van trung áp và hạ áp.
Chương 5: Biện pháp bảo vệ quá áp phía trung áp và hạ áp khi sét đánh
trực tiếp vào đường dây trung áp.
Chương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.
Tài liệu tham khảo.

HVTH: Đỗ Anh Duy

-4-

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ SÉT
2.1. Sự hình thành mây dông và sét
Dông là hiện tượng xảy ra chủ yếu trong mùa hạ liên quan đến sự phát triển
mạnh mẽ của đối lưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển. Dơng đặc trưng bởi sự
xuất hiện những đám mây dơng hay mây tích vũ (Cumnulonimbus) có độ dày từ
10  16 km, tích trữ một số lượng nước và tạo ra những chênh lệch điện thế cực
mạnh.
Về bản chất, dơng là một hiện tượng khí quyển phức hợp bao gồm sự phóng
điện giữa các đám mây (thường gọi là chớp) hay sự phóng điện giữa đám mây và
mặt đất (thường gọi là sét) kèm theo gió mạnh và mưa lớn.
Thực tế sự hình thành các cơn dơng ln gắn liền với sự xuất hiện của những
luồng khơng khí khổng lồ từ mặt đất bốc lên. Các luồng không khí này được tạo
thành do sự đốt nóng mặt đất bởi ánh sáng mặt trời, đặc biệt ở các vùng cao
(dông nhiệt), hoặc do sự gặp nhau của những luồng khơng khí nóng ẩm với
khơng khí lạnh (dơng Front). Sau khi đã đạt được một độ cao nhất định (khoảng
vài km trở lên - vùng nhiệt độ âm- Hình 2.1) luồng khơng khí ẩm này bị lạnh đi,
hơi nước ngưng tụ thành những giọt nhỏ li ti - hay các tinh thể băng và chúng tạo
thành các đám mây dông.
Từ lâu, người ta đã khẳng định về nguồn tạo ra điện trường giữa các mây dơng
và mặt đất chính là những điện tích tích tụ trên các hạt nước li ti và các tinh thể

băng của các đám mây dông đó.
Nhưng do đâu có sự nhiễm điện này của hạt nước và các tinh thể băng thì có
nhiều giả thuyết khác nhau và chưa được hồn tồn nhất trí. Các giả thuyết này
cho đến nay đều chưa giải thích được một cách triệt để về nguồn điện tích của
các đám mây dông, khiến người ta nghĩ rằng trong thực tế có thể có nhiều
nguyên nhân đồng thời tác động và rất phức tạp. Nhưng có một điều chắc chắn là
trong suốt cơn dơng, các điện tích dương và điện tích âm bị các luồng khơng khí
mãnh liệt làm tách rời nhau gắn liền với sự phân bố các tinh thể băng tuyết trên

HVTH: Đỗ Anh Duy

-5-

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

tầng đỉnh và các giọt nước ở tầng đáy của các đám mây dông. Sự tách rời điện
tích này tùy thuộc vào độ cao của các đám mây.
km
12

+ + -300 C ++

10

-200 C +

8

-100 C

6

00C

4

+100C

2

+250C

Hình 2.1. Phân bố điện tích trong đám mây dơng
Qua nhiều lần đo đạt thực nghiệm, người ta thấy rằng khoảng 80  90% phần
dưới các đám mây dông chủ yếu chứa điện tích âm, do đó cảm ứng trên mặt đất
những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện khơng khí khổng lồ.

Hình 2.2. Sự phân bố điện tíchgiữa đám mây dông và mặt đất

HVTH: Đỗ Anh Duy

-6-

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

Hình 2.2 chỉ rõ sự phân bố điện tích trong một đám mây và trên mặt đất. Vật
nào trên mặt đất càng cao thì khoảng cách giữa vật và mây càng nhỏ và lớp
khơng khí ngăn cách các điện tích trái dấu càng mỏng. Ở những nơi này sét dễ
đánh xuống đất. Khi đến gần nhà cao, cây cao thì mây dơng mang điện tích âm
hút các điện tích dương, làm cho chúng tập trung lại ở điểm cao nhất: trên mái
nhà, ngọn cây ...hay còn gọi là hiệu ứng mũi nhọn. Nếu điện tích mây lớn thì trên
mái nhà, ngọn cây ... cũng tập trung một điện tích lớn, đến một mức độ nào đó độ
lớn của các điện tích trái dấu nói trên sẽ tạo nên một sự chênh lệch điện thế để
đánh thủng lớp khơng khí ngăn cách nó với mặt đất (ở mặt đất trị số này là 25 
30 kV/cm), lúc này xảy ra hiện tượng phóng điện giữa đám mây dơng và mặt đất.
Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong khơng khí với khoảng cách
phóng điện rất lớn. Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3  5km. Phần lớn
chiều dài đó phát triển trong các đám mây dơng. Q trình phóng điện của sét
tương tự q trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất khơng đồng nhất với
khoảng cách phóng điện lớn.

Hình 2.3 Sự phát triển của sóng điện sét trong đám mây dơng

HVTH: Đỗ Anh Duy

-7-

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh

Luận văn Thạc sỹ

2.2. Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét
Ban đầu xuất phát từ mây dơng một dải sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về
phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105  106 m/s, đó là giai đoạn phóng
điện tiên đạo từng đợt. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện tích khơng
cao lắm, khoảng 1013 1014 ion/m3. Một phần điện tích âm của mây dơng tràn
vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó (Hình 2.4.a).
Thời gian phát triển của kênh tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1s
(như vậy mỗi đợt kênh tiên đạo kéo dài thêm trung bình khoảng vài chục mét).
Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng từ 30  90s.
Điện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng Q = L ( mật độ điện
tích, L là chiều dài kênh). Điện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng điện
tích chạy vào đất trong một lần phóng điện sét. Dưới tác dụng của điện trường
tạo nên bởi điện tích của mây dơng và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập
trung điện tích trái dấu (thường là điện tích dương) trên vùng mặt đất phía dưới
đám mây dơng. Nếu vùng đất phía dưới bằng phẳng và có điện dẫn đồng nhất thì
nơi điện tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo. Nếu vùng
đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế
cận, nơi có điện dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sơng
ngịi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt
trong mưa... và nơi đó sẽ là nơi đổ bộ của sét.
Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển
của nó (trong mây dơng) được xác định bởi điện tích bản thân của kênh và của

HVTH: Đỗ Anh Duy

-8-

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

điện tích tích tụ ở đám mây. Đường đi của kênh trong giai đoạn này không phụ
thuộc vào tình trạng của mặt đất và các vật thể ở mặt đất. Chỉ khi kênh tiên đạo
còn cách mặt đất một độ cao nào đó (độ cao định hướng) thì mới thấy rõ dần ảnh
hưởng của tập trung điện tích ở mặt đất và ở các vật thể dẫn điện nhô khỏi mặt
đất đối với hướng phát triển tiếp tục của kênh. Kênh sẽ phát triển theo hướng có
cường độ điện trường lớn nhất.

a. Giai đoạn phóng điện tiên đạo
b. Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt
c. Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu
d. Phóng điện chủ yếu kết thúc

Hình 2.4. Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên
của dòng điện sét theo thời gian
Ở những nơi vật dẫn có độ cao (nhà chọc trời, cột ăng ten, đài phát...) thì từ
đỉnh của nó nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện ion
hóa tạo nên dịng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông. Chiều dài của
kênh tiên đạo từ dưới lên mây tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ
dàng cho sự định hướng của sét đánh vào vật dẫn đó.
Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh
tiên đạo ngược chiều thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược lại hay phóng điện

HVTH: Đỗ Anh Duy

-9-

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

chủ yếu, tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện
trường khơng đồng nhất (Hình 2.4.b). Trong khoảng cách khí cịn lại giữa đầu
kênh tiên đạo và mặt đất (hoặc giữa hai kênh tiên đạo ngược chiều) cường độ
điện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt dẫn đến sự hình thành một dịng
plasma mật độ điện tích (1016 1019 ion/m3) cao hơn nhiều so với mật độ điện
tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần, điện tích cảm ứng từ
mặt đất tràn vào dịng ngược và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất làm cho
cường độ điện trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ như vậy
dịng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường chọn sẵn
của kênh tiên đạo. Tốc độ phát triển của kênh phóng ngược rất cao vào khoảng
0,5.107  1,5.108m/s (bằng 0,05  0,5 vận tốc ánh sáng) tức là nhanh gấp trên
trăm lần tốc độ phát triển của tiên đạo hướng xuống. Vì mật độ điện tích cao đốt
nóng mãnh liệt nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói (gọi là chớp) và sự giãn nở
đột ngột của khơng khí bao quanh phóng điện chủ yếu tạo nên những đợt sóng
âm mãnh liệt gây nên những tiếng nổ chát chúa (đó là tiếng sấm). Đặc điểm quan
trọng nhất của phóng điện chủ yếu là cường độ dịng điện lớn. Nếu V là tốc độ
của phóng điện,  mật độ điện tích thì dịng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi
kênh phóng điện chủ yếu lên đến đám mây dơng và bằng : is = V (Hình 2.4.c).
Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích cịn lại của mây sẽ

theo kênh phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dịng
điện có trị số nhất định giảm nhanh tương ứng với phần đi sóng (Hình 2.4.d).
Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng phóng điện sét thường xảy ra nhiều lần kế
tục nhau trung bình là 3 lần, nhiều nhất có thể đến vài chục lần (Hình 2.5). Các
lần phóng điện sau có dịng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt như
lần đầu), không phân nhánh và theo đúng quĩ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ
cao hơn (2.106m/s).
Sự phóng điện nhiều lần của sét được giải thích như sau: Đám mây dơng có
thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau hình thành do các dịng khơng khí
xốy trong mây. Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm
điện tích có cường độ điện trường cao nhất. Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo
HVTH: Đỗ Anh Duy

- 10 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

thì hiệu thế giữa các trung tâm điện tích này với trung tâm điện tích đầu tiên thực
tế khơng thay đổi và ít có ảnh hưởng qua lại giữa chúng. Nhưng khi kênh phóng
điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế
mang điện thế của đất làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phóng với
trung tâm điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với
nhau.

Hình 2.5. Q trình phát triển của phóng điện sét

Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn cịn một điện dẫn nhất định do sự khử ion
chưa hồn tồn nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo đó, liên tục và với tốc
độ cao hơn lần đầu.
Sự phóng điện nhiều lần của sét được giải thích như sau: đám mây dơng có thể có
nhiều trung tâm điện tích khác nhau hình thành do các dịng khơng khí xốy trong mây.
Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm điện tích có

cường độ điện trường cao nhất. Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu thế
giữa các trung tâm điện tích này với trung tâm điện tích đầu tiên thực tế khơng
thay đổi và ít có ảnh hưởng qua lại giữa chúng. Nhưng khi kênh phóng điện chủ
yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang

HVTH: Đỗ Anh Duy

- 11 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

điện thế của đất làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phóng với trung tâm
điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với nhau.
Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn cịn một điện dẫn nhất định do sự khử
ion chưa hồn tồn nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo đó, liên tục
và với tốc độ cao hơn lần đầu.
2.3. Các thông số chủ yếu của sét
Dịng điện sét có dạng một sóng xung (Hình 2.6). Trung bình trong khoảng vài

ba s, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó
giảm xuống chậm dần trong khoảng 20- 100 s tạo nên phần đi sóng.
Sự lan truyền sóng điện từ tạo nên bởi dịng điện sét gây nên quá điện áp
trong hệ thống điện, do đó cần phải biết những tham số chủ yếu của nó:
Biên độ dịng sét là giá trị lớn nhất của dịng điện sét. Biên độ dịng sét
khơng vượt q(200  300) kA.
Thời gian đầu sóng (1) là thời gian mà dòng sét tăng từ 0 đến giá trị cực
đại trong khoảng từ (1  100)s với tia tiên đạo đầu tiên và (5  50)s với
tia sét lặp lại.
Độ dài dòng điện sét (2) là thời gian từ đầu dòng sét đến khi dịng sét
giảm bằng ½ biên độ trong khoảng từ (20  350)s với các tia sét đầu tiên
và (5  50)s với các tia sét lặp lại.
Tốc độ tăng dịng di/dt có thể đạt tới 70kA/s đối với tia sét đầu tiên và
vượt quá 200kA/s với các tia sét tiếp theo.
Tốc độ tăng áp dV/dt đo được đạt tới 12kV/s.
Cực tính dịng điện sét

HVTH: Đỗ Anh Duy

- 12 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

Hình 2.6. Dạng sóng dịng điện sét
2.4. Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện

Dòng điện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu đến trung
tâm điện tích của đám mây dơng. Trị số dịng điện sét lớn nhất có phạm vi giới
hạn rất rộng, giới hạn trên ghi được vượt 150 kA, trị số này rất ít gặp trong các
trường hợp sét đánh, mà phần lớn thường gặp sét có trị số 30kA. Dịng điện sét
có trị số từ 50 kA đến 100 kA có xảy ra nhưng ít, cịn sét có dịng điện từ 100 kA
trở lên rất hiếm khi xảy ra, trị số này chỉ dùng để tính tốn khi thiết kế bảo vệ
chống sét cho các cơng trình rất đặc biệt có nguy cơ xảy ra cháy hoặc nổ cho các
trạm phân phối điện quan trọng.
80

Vùng đồng bằng

VI (%)

60
1
40

Vùng núi cao
2

20

0
0

20

40

60

80

90

100

Is (kA)

Hình 2.7. Đường cong xác suất biên độ dòng điện sét
HVTH: Đỗ Anh Duy

- 13 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

Xác suất xuất hiện dòng điện sét (VI ) có biên độ bằng hoặc lớn hơn Is có thể
tính gần đúng theo biểu thức:
Vùng đồng bằng: VI = 10-Is /60 hay lgVI = -Is/60
Vùng núi cao: VI = 10

-Is /30

(2.1)

hay lgVI = -Is/30

2.5. Cường độ hoạt động của sét
Cường độ hoạt động của dông sét được thể hiện qua số ngày dông trong một
năm và mật độ sét tại khu vực.
Ngày dông là ngày quan trắc viên nghe được tiếng sấm. Số ngày dông trong
một năm được xem như trị số trung bình qua nhiều năm quan sát và đo đạc ở nơi
được quan sát.
Mật độ sét là số lần sét đánh trên một km2 bề mặt trong một năm và có thể xác
định theo biểu thức sau:
Nd = (0.1  0.15)Td
(2.2)
2
Ở đây: Nd là mật độ sét (lần/km .năm); Td là số ngày dông trong một năm.
2.6. Cực tính của sét
Số liệu quan trắc ở nhiều nơi trong nhiều năm cho thấy, sóng dịng điện sét
mang điện cực âm xuất hiện nhiều hơn và chiếm khoảng 80- 90 tồn bộ số lần
phóng điện sét.
2.7. Tác hại của dòng điện sét
Các thiệt hại do sét cụ thể là:
Gây cháy, nổ, hư hại cơng trình
Phá hủy thiết bị, các phương tiện thông tin liên lạc
Gây nhiễu loạn hay ngưng vận hành hệ thống
Mất dữ liệu hay hư dữ liệu
Ngừng các dịch vụ gây tổn thất kinh tế và các tổn thất khác
Gây chết người
Do thiệt hại do sét rất lớn và hầu như không thể dự báo trước nên việc phịng
chống sét ln là mối quan tâm của con người. Cũng cần lưu ý rằng việc phòng
chống sét khơng thể đạt được mức an tồn tuyệt đối mà hiện nay việc phòng

chống sét chỉ nhằm giảm thiệt hại do sét ở mức thấp nhất.
HVTH: Đỗ Anh Duy

- 14 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

2.8. Phân loại cơng trình cần bảo vệ.
Cơng trình cần bảo vệ được phân loại theo nhiều cách khác nhau:
2.8.1. Theo tiêu chuẩn 20TCVN 46-84, cơng trình cần bảo vệ được chia
làm ba cấp:
Cấp I là các cơng trình, trong đó có tỏa ra các chất khí hay hơi cháy,
cũng như các bụi hay sợi cháy, dễ dàng chuyển sang trạng thái lơ lửng
và có khả năng kết hợp với khơng khí hay các chất oxyt hóa khác tạo
thành các hỗn hợp nổ, có thể xảy ra trong điều kiện làm việc bình
thường. Khi xảy ra nổ sẽ gây ra phá hoại lớn, làm chết người.
Cấp II là các cơng trình, trong đó có tỏa ra các chất khí hay hơi cháy,
cũng như các bụi hay sợi cháy, dễ dàng chuyển sang trạng thái lơ
lửng và có khả năng kết hợp với khơng khí hay các chất oxyt hóa khác
tạo thành các hỗn hợp nổ. Nhưng khả năng này chỉ xảy ra khi có sự cố
hay làm sai qui tắc. Khi xảy ra nổ chỉ gây ra các hư hỏng nhỏ, không
làm chết người.
Cấp III là các cơng trình cịn lại. Tuy nhiên, một số cơng trình cấp III
có tầm quan trọng về chính trị, kinh tế và nguy hiểm cho người thì
được phép nâng lên cấp II.

2.8.2. Theo tiêu chuẩn NFPA 780, cơng trình cần bảo vệ được chia làm hai
cấp:
Cấp I là các cơng trình có chiều cao khơng vượt q 23m
Cấp II là các cơng trình có chiều cao vượt q 23m
2.8.3. Theo tiêu chuẩn NZS/AS 1768-1991, mức độ u cầu bảo vệ cơng
trình phụ thuộc vào mức độ rủi ro và thiệt hại do sét gây ra. Chỉ số rủi ro R xác
định theo biểu thức:

R = A+B+C+D+E

(2.3)
Ở đây: A tùy thuộc vào tính chất cơng trình (dễ cháy nổ, nhà ở, xí nghiệp,…);
B tùy thuộc vào vật liệu và kích thước cơng trình; C tùy thuộc vào chiều cao
cơng trình; D tuỳ thuộc vào cao độ cơng trình so với mặt biển; E tùy thuộc số
ngày dông trong một năm.
HVTH: Đỗ Anh Duy

- 15 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

Tùy theo giá trị của R mà cơng trình cần bảo vệ được chia làm năm cấp:
khơng cần bảo vệ, cần bảo vệ, bảo vệ mức trung bình, bảo vệ mức cao và bảo vệ
mức rất cao.
2.8.4. Theo tiêu chuẩn NFC 17-102 1995, căn cứ vào: Kích thước cơng trình;

mơi trường xung quanh cơng trình (dễ cháy, dễ nổ, nóng,..); loại cơng trình (dân
dụng, cơng nghiệp); loại vật liệu chứa trong cơng trình; có hay khơng người làm
việc thường xuyên; mật độ sét trong vùng xây dựng cơng trình, cơng trình cần
bảo vệ được chia làm bốn cấp:
Cấp 1 + Biện pháp bảo vệ bổ xung
Cấp 1 (tương ứng với dòng xung đỉnh 2.8kA)
Cấp 2 (tương ứng với dòng xung đỉnh 9.5kA)
Cấp 3 (tương ứng với dòng xung đỉnh 14.7kA)
Tùy theo cấp mà cơng trình được xếp vào, cần có các giải pháp chống sét cho
phù hợp nhằm giảm rủi ro thiệt hại do sét là thấp nhất.

HVTH: Đỗ Anh Duy

- 16 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

CHƯƠNG 3
MƠ HÌNH CÁC NGUỒN PHÁT XUNG SÉT TIÊU CHUẨN
3.1. Các dạng xung khơng chu kỳ chuẩn

Hình 3.1: Dạng sóng xung khơng chu kỳ chuẩn
Các xung khơng 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 thường qui định trong các tiêu chuẩn chống sét và có dạng
điển hình trình bày ở hình 3.1.
Phương trình mơ tả dạng xung dịng điện và xung điện áp chuẩn có dạng:
i(t) = I(e-at – e-bt)

(3.1)

u(t) = U(e-at – e-bt)

(3.2)

Xung dịng và xung áp có dạng hồn tồn tổng qt giống nhau. V ì
v ậ y, dưới đây chỉ xét dạng xung dòng điện từ đó tương tự có thể suy ra
xung áp.
Dạng xung dịng gồm 2 thành phần Ie-at và Ie-bt như hình 3.2:

HVTH: Đỗ Anh Duy

- 17 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

Hình 3.2: Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần.
Giá trị của biên độ I, và các hệ số a và b trong các biểu thức nêu trên có
thể xác định ứng với từng dạng xung dòng chuẩn từ các giá trị biến định trước

như: Giá trị đỉnh I1 của xung dòng, thời gian đạt đỉnh t1, thời gian đạt ½ giá trị
đỉnh t2 thơng qua các đường cong chuẩn trình bày ở các hình 3.3, 3.4, 3.5.

Hình 3.3: Đường cong xác định tỷ số b/a

HVTH: Đỗ Anh Duy

- 18 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

Hình 3.4: Đường cong xác định tỉ số at1

Hình 3.5: Đường cong xác định tỉ số I1/I
3.2. Xây dựng mối liên hệ giữa các thông số trong mơ hình
Để thuận tiện cho việc xác định các thơng số của phương trình 3.1 và 3.2
và tạo điều kiện xác định các thông số này một cách tự động, cần xác định mối
tương quan giữa các biến số thông qua các hàm toán học dựa trên tọa độ các
điểm nằm trên các đường cong ở h ì n h 3.3, 3.4 và 3.5.

HVTH: Đỗ Anh Duy

- 19 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh


Luận văn Thạc sỹ

Bằng cách sử dụng tính năng Curve Fitting trong Curve Fitting Toolbox
của phần mềm MATLAB ( R2009b) có thể nhanh chóng xác định các mối
quan hệ giữa các thông số với sai số nằm trong phạm vi cho phép.
3.2.a. Quan hệ giữa tỉ số t2 / t1 và b/a
Do tỉ số t2 / t1 là giá trị cho trước nên để đơn giản hóa việc tính tốn, xem
trục tỉ số t2/t1 là trục 0x và trục tỉ số b/a là trục 0y.
Nhập dữ liệu t2/t1 và b/a từ đường cong 3.12 vào cửa sổ Workspace, kết quả
trình bày ở hình 3.6.
t2/t1 (X):
[2.5;2.7;2.9;3.1;3.3;3.9;4.2;5;5.8;7.1;8.2;9.7;10.9;14;16.2;20.5;26.5;32;35.5;37.3;
41.7;48;49.5;70]

b/a (Y):
[2;3;4;5;6;8;10;17.5;20;30;40;50;60;80;100;140;200;250;290;300;340;400;410;600]

Hình 3.6: Nhập dữ liệu t2/t1 và b/a
Lần lượt lựa chọn các dạng hàm toán học được đề xuất và chọn dạng hàm
toán học nào cho kết quả chính xác nhất (R—square>=0.9999).
Kết quả đạt được ứng với hàm Linear model Poly 4, cụ thể như sau:
HVTH: Đỗ Anh Duy

- 20 -

Luan van

GVHD: PGS, TS Quyền Huy Ánh