Đánh giá hiệu quả bảo vệ quá điện áp đa tầng trên đường nguồn hạ áp

MC LC
Tóm tt đ tƠi i
ABSTRACT ii
Danh mc t vit tt iv
Danh mc các bng v
Danh mc các hình vi
Chng m đu 1
1. Đặt vn đề 1
2. Nhiệm v ca lun án 2
3. Phm vi nghiên cứu 2
4. Các bước tiến hành 2
5. Điểm mới ca lun án 3
6. Giá trị thực tiễn ca đề tài 3
7. Ni dung lun văn 3
Chng 1 Tổng quan v hin tng quá đ vƠ các thit b
bo v quá áp trên đng nguồn h áp 5
1.1. Giới thiệu 6
1.2. Hiện tượng quá đ 7
1.3. Các dng xung quá đ điển hình 9
1.3.1. Các dng xung quá đ 9
1.3.1.1. Dng sóng 10/350µs 10
1.3.1.2. Dng sóng 8/20µs 11
1.3.2. Biên đ xung sét 12
1.4. Công nghệ chống sét lan truyền trên đường nguồn h áp 12
1.4.1.Khe hở phóng điện 12
1.4.2. Diod thác Silic 14
1.4.3. Biến trở oxid kim loi 15
1.4.4 SAD 16
1.4.5. TDS 16
1.5. Các thiết bị chống sét lan truyền trên đường cp nguồn h áp 17
1.5.1. Thiết bị cắt sét 17

1.5.2. Thiết bị lọc sét 18
1.6. Các tiêu chuẩn trong bo vệ quá áp 19
1.6.1. Bo vệ quá áp theo ANSI /IEEE 19
1.6.2. Bo vệ quá áp theo IEC 20
1.6.3. Hệ thống bo vệ chống sét h áp 21
1.7. Lựa chọn các thiết bị bo vệ quá áp 23
Chng 2 Gii thiu phn mm MatLab vƠ Xơy dng
mô hình nguồn phát xung. 24
2.1. Giới thiệu phần mềm MATLAB 25
2.1.1. Cơ sở về SIMULINK 26
2.1.2. Các khối ( Block) sử dng trong mô hình 27
2.1.3. Giới thiệu công c Curve Fitting Toolbox 30
2.2. Các dng xung không chu kỳ chuẩn 32
2.2.1. Dng tổng quát 33
2.2.2. Xây dựng quan hệ giữa các thông số trong mô hình 35
2.3. Xây dựng máy phát xung tiêu chuẩn 39
2.3.1. Xây dựng sơ đồ khối 39
2.3.2. Thực hiện mô phỏng 41
2.4. Kết lun 43
Chng 3 Xơy dng mô hình các phn t bo v xung sét trên đng
nguồn h áp 44
Phn A: Xơy dng vƠ mô phng mô hình
khe h phóng đin không khí. 44
3A.1. Mt số phương pháp tính toán xây dựng mô hình 44
3A.2. Các mô hình khe hở phóng điện 48
3A.2.1. Các phương pháp đầu tiên 48
3A.2.2. Quá trình nghiên cứu phát triển mô hình khe hở phóng điện 49
3A.3. Xây dựng mô hình đơn gin ca khe hở phóng điện
không khí Spark Gap 53
3A.3.1. Mô hình Spark Gap đơn gin 54

3A.3.2. Xây dựng sơ đồ khối mô hình Spark Gap 55
3A.3.3. Mô phỏng mô hình Spark Gap 58
3A.3.4. Xây dựng mô hình Triggered Spark Gap 61
3A.3.4.1. Xây dựng mô hình dựa trên cơ sở mô hình Spark Gap 61
3A.3.4.2. Mô phỏng mô hình TSG 63
3A.4. Kết lun 70
Phn B: Xơy dng mô hình bin tr oxide kim loi (MOV) 71
3B.1. Các dng mô hình MOV đã được nghiên cứu 71
3B.1.1. Mô hình điện trở phi tuyến 71
3B.1.2. Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cm phi tuyến 73
3B.1.3. Mô hình MOV ca IEEE 76
3B.1.4. Mô hình MOV ca Mardira 80
3B.2. Các Mô hình MOV đã được xây dựng 82
3B.2.1. Mô hình Matlab 82
3B.2.2. Mô hình MOV ca IEEE 84
3B.2.3. Mô hình MOV h thế 88
3B.2.3.1. Cu trúc cơ bn ca mô hình MOV h thế 88
3B.2.3.2. Mô hình điện trở phi tuyến trên Matlab 89
3B.2.3.3. Mô hình MOV h thế trên Matlab 91
3B.2.3.4. Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV
với mô hình xung dòng 8/20µs 94
3B.3. Kết lun 98
Phn C: Kho sát s phi hp bo v quá đin áp ca các mô hình
trên đng nguồn h áp 993
3C.1. Giới thiệu 99
3C.2. Sơ đồ kho sát mô phỏng hệ thống bo vệ
quá điện áp nhiều tầng 100
3C.2.1. Hệ thống bo vệ quá điện áp 3 tầng
(sử dng Spark Gap /Triggered Spark Gap) 100
3C.2.2. Hệ thống bo vệ quá điện áp 2 tầng

(sử dng Triggered Spark Gap /Triggered Spark Gap) 101
3C.2.3. Hệ thống bo vệ quá điện áp 2 tầng
sử dng chống sét MOV 102
3C.3. So sánh hiệu qu bo vệ quá điện áp cho các
mô hình hệ thống 102
3C.3.1. Thực hiện mô phỏng với dòng xung sét 10/350s 103
3C.3.1.1 Kho sát mô hình hệ thống bo vệ quá điện áp 3 tầng
(có sử dng Spark Gap /Triggered Spark Gap). 103
3C.3.1.2. Kho sát mô hình hệ thống bo vệ quá điện áp 2 tầng
(có sử dng Spark Gap /Triggered Spark Gap). 105
3C.3.1.3. Kho sát mô hình hệ thống bo vệ quá điện áp 2 tầng
sử dng chống sét MOV. 107
3C.3.2. Thực hiện mô phỏng với dòng xung sét 8/20s 108
3C.3.2.1. Kho sát mô hình hệ thống bo vệ quá điện áp 3 tầng
(SG /TSG-MOV-MOV). 108
3C.3.2.2. Kho sát mô hình hệ thống bo vệ quá điện áp 2 tầng
(có sử dng Spark Gap /Triggered Spark Gap). 109
3C.3.2.3. Kho sát mô hình hệ thống bo vệ quá điện áp 2 tầng
sử dng chống sét MOV. 110
3C.4. Kết lun 111
Chng kt lun 113
Ph lc 1
Ph lc 2
Tài liệu tham kho
i
TịM TT

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loi thiết bị bo vệ chống sét lan truyền
trên đường nguồn ca các hãng sn xut khác nhau với các công nghệ đa dng. Việc
lựa chọn thiết bị bo vệ có hiệu qu bo vệ cao ở mức ít tốn kém nht, thường gặp

nhiều khó khăn vì các nhà sn xut thường cung cp các thông tin liên quan đến ưu
điểm về sn phẩm mà không đề cp đến các nhược điểm. Vì vy, cần nhn biết và
đánh giá các tính năng k thut quan trọng nht và loi bỏ các thông tin không quan
trọng, thm chí có thể gây lầm ln trong việc ra quyết định lựa chọn thiết bị bo vệ
là yêu cầu bức thiết. Các thông số k thut được xem xét để đánh giá thiết bị bo vệ
bao gồm: mức chịu quá áp lâu dài, điện áp thông qua, giá trị xung, tuổi thọ, tốc đ
đáp ứng, kh năng tn năng lượng sét, công nghệ. Trong các thông số trên, thông số
điện áp thông qua là quan trọng nht.
Lun văn này dựa vào thông số điện áp thông qua nhằm đánh giá, so sánh
kh năng bo vệ ca thiết bị bo vệ. Từ đó rút ra các yếu tố nh hưởng đến bo vệ
chống sét lan truyền trên đường nguồn h áp nhằm tối ưu hóa các tính năng bo vệ
và nâng cao đ tin cy trong quá trình vn hành. Các yếu tố nh hưởng này bao
gồm: công nghệ chống sét, sự lựa chọn phối hợp bo vệ ca các thiết bị bo vệ và
đánh giá hiệu qu bo vệ ca các thiết bị lọc sét.
Lun văn bao gồm các ni dung chính sau đây:
Chương Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng quá đ và các thiết bị bo vệ quá áp trên
đường nguồn h áp.
Chương 2: Giới thiệu phần mềm MatLab & Xây dựng mô hình nguồn phát
xung.
Chương 3: Xây dựng mô hình các phần tử bo vệ xung sét trên đường nguồn
h áp.
Chương Kết lun.


ii
ABSTRACT

Currently on the market there are many types of devices Surge protection on
power lines of different manufacturers with diverse technologies. The selection of

protective equipment highly effective at protecting the least expensive, often
difficult because manufacturers often provide information related to product
advantage that does not mention the disadvantages. Therefore, it is necessary to
identify and evaluate the key technical features and remove the unimportant
information, can even cause confusion in decision making protective gear selection
is an urgent requirement. The specifications are reviewed to assess the protective
device includes: a long-term bear the pressure, through voltage, pulse value,
longevity, speed of response, the lightning energy dissipation capability, the
technology. In the above parameters, voltage parameters passed is most important.
This thesis is based on the voltage parameters passed to evaluate, compare
the protection of protective equipment. From that draws influence factors Surge
protection on low voltage power line in order to optimize the security features and
enhanced reliability during operation. Factors affecting this include lightning
protection technology, the choice of coordinate protective devices to protect and
evaluate the protective effect of the clay filter device.
The thesis includes the following content:
Opening chapter.
Chapter 1: Overview of transition phenomena and the surge protection
device on the low voltage power lines.
Chapter 2: Introduction to MatLab software & Modeling pulse source.
Chapter 3: Modeling the lightning impulse protective element on low voltage
power line.
Concluding chapter.
iii

This thesis is based on the voltage parameters passed to evaluate, compare
the protection of protective equipment. From that draws influence factors Surge
protection on low voltage power line in order to optimize the security features and
enhanced reliability during operation. Factors affecting this include lightning
protection technology, the choice of coordinate protective devices to protect and

evaluate the protective effect of the clay filter device.

iv

DANH MC T VIT TT

ANSI (American National Standards Institute): Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ
CM (Common Mode): Chế đ chung
DM (Differential Mode): Chế đ phân biệt
GDT (Gas Discharge Tube): ng phóng khí
IEC (International Electrotechnical Commission): Hi đồng k thut điện quốc tế
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): Viện k sư điện ậ điện tử
PE (Protect Earth): Bo vệ nối đt
PEN (Protect Earth Neutral): Bo vệ trung tính + bo vệ nối đt nối chung
SPD (Surge Protection Device): Thiết bị bo vệ quá áp
SG (Spark Gap): Khe phóng điện
TSG (Triggered Spark Gap): Khe hở phóng điện tự kích
MOV (Metal Oxide Varistor): Biến trở oxide kim loi
SAD (Sillicon Avalanche Diode): Diode thác Sillicon
TDS (Transient Discriminating Suppressor): Thiết bị triệt xung phân biệt
I
ref
: Dòng điện quy chuẩn trên mt đĩa MOV
TN: Hệ thống nối đt TN
TNC: Hệ thống nối đt TNC
TNS: Hệ thống nối đt TNS
TT: Hệ thống nối đt TT
TBBV: Thiết bị bo vệ

v

DANH MC CỄC BNG

Bng 1.1. Điện áp và dòng điện ca quá đ điển hình trong nhà Trang 9
Bng 3.1. Đặc tính đơn vị V-I ca A0 và A1
(giá trị điện áp đơn vị) Trang 79
Bng 3.2. Quan hệ dòng áp ca A0 và A1 Trang 81
Bng 3.3. Quan hệ dòng áp ca phần tử phi tuyến A0 và A1 Trang 85
Bng 3.4. Thông số k thut MOV h thế ca hãng Siemens Trang 94
Bng 3.5. Kết qu so sánh khi mô phỏng MOV h thế
ca hãng Siemens Trang 95
Bng 3.6. Thông số k thut MOV h thế ca hãng AVX Trang 96
Bng 3.7 Kết qu so sánh khi mô phỏng MOV h thế ca hãng AVX Trang 96
Bng 3.8. Thông số k thut MOV h thế ca hãng Littefuse Trang 97
Bng 3.9 Kết qu so sánh khi mô phỏng MOV h thế
ca hãng Littefuse Trang 98
Bng 3.10 So sánh điện áp ngõ ra ca 2 loi mô hình bo vệ 3 tầng Trang 104
Bng 3.11 So sánh điện áp ngõ ra giữa mô hình
SG-MOV2 và TSG-MOV2 Trang 105
Bng 3.12 So sánh điện áp ngõ ra giữa mô hình
bo vệ 3 tầng và bo vệ 2 tầng Trang 106
Bng 3.13 So sánh điện áp ngõ ra giữa mô hình
bo vệ 3 tầng và bo vệ 2 tầng (MOV) Trang 107
Bng 3.14 So sánh điện áp ngõ ra ca 2 loi mô hình bo vệ 3 tầng Trang 108
Bng 3.15 Giá trị điện áp ngõ ra ca mô hình bo vệ 2 tầng Trang 110
Bng 3.16 Giá trị điện áp ngõ ra ca mô hình
bo vệ 2 tầng và 3 tầng Trang 111

vi

DANH MC CỄC HÌNH

Hình 1.1 Dạng sóng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp
(với thời gian ngắn là 1ms) Trang 7
Hình 1.2. Quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ Trang 8
Hình 1.3. Dạng sóng 0.5 µs-100kHz Trang 10
Hình 1.4. Dạng sóng xung áp 1.2/50 µs Trang 10
Hình 1.5a. Sét đánh trực tiếp vào kim thu sét trên đỉnh công trình Trang 10
Hình 1.5b. Sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không
lân cận công trình Trang 10
Hình 1.6. Dạng sóng 10/350µs Trang 10
Hình 1.7a. Sét đánh vào đường dây trên không ở vị trí
cách xa công trình Trang 11
Hình 1.7b. Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình Trang 11
Hình 1.8. Dạng sóng 8/20µs Trang 11
Hình 1.9. Lựa chọn SPD theo mức độ lộ thiên của công trình Trang 12
Hình 1.10. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSG Trang 14
Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị Trang 17
Hình 1.12. Tủ phân phối chính với thiết bị chống sét trên đường truyền Trang 18
Hình 1.13. Một số thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn
và đường tín hiệu Trang 18
Hình 1.14. Các cấp độ bảo vệ quá áp dựa vào khả năng chịu quá
áp của thiết bị Trang 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 Trang 21
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 22

Hình 2.1. Thư viện Simulik trong chương trình Matlab Trang 27
Hình 2.2 Thao tác mở cửa sổ làm việc Trang 27
vii

Hình 2.3 Cửa sổ làm việc Trang 27
Hình 2.4. Giao diện tạo Curve Fitting Toolbox Trang 30
Hình 2.5. Cửa sổ Workspace Trang 30
Hình 2.6. Cửa sổ Data Trang 31
Hình 2.7. Cửa sổ Fitting Trang 31
Hình 2.8. Đồ thị y= F(x) Trang 31
Hình 2.9. Cửa sổ Analysis Trang 32
Hình 2.10. Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn Trang 33
Hình 2.11. Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần Trang 33
Hình 2.12. Đường cong xác định tỉ số b/a Trang 34
Hình 2.13. Đường cong xác định tỉ số at1 Trang 34
Hình 2.14. Đường cong xác định tỉ số I1/I Trang 34
Hình 2.15. Nhập dữ liệu t2/t1 và b/a Trang 35
Hình 2.16. Kết quả phân tích ở cửa sổ Analysis Trang 38
Hình 2.17. Nhập dữ liệu b/a (X_at1) và at1 Trang 38
Hình 2.18. Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung Trang 40
Hình 2.19. Biểu tượng của mô hình nguồn phát xung Trang 40
Hình 2.20. Khai báo các thông số yêu cầu Trang 41
Hình 2.21. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng Trang 41
Hình 2.22. Các thông số máy phát xung dòng Trang 41
Hình 2.23. dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 20kA Trang 42
Hình 2.24. Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 3kA Trang 42
Hình 2.25. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp Trang 46
Hình 2.26. Dạng sóng của xung áp 1,2/50 µs biên độ 5kV Trang 43
Hình 2.27. Dạng sóng nguồn áp 10/700 µs biên độ 5kV Trang 43
Hình 3.1. Mô hình khe hở phóng điện trong SPICE của Larsson Trang 50

Hình 3.2. Đáp ứng của mô hình Larsson khi thử nghiệm
với các xung áp Trang 50
Hình 3.3. Mô hình khe hở phóng điện trong SPICE của Basso Trang 50
viii

Hình 3.4. Mô hình khe hở phóng điện trong SPICE của Borgeest Trang 52
Hình 3.5. Đáp ứng của mô hình Borgeest khi thử nghiệm
với các xung áp Trang 52
Hình 3.6. Mô hình tương đương với phương trình Trang 52
Hình 3.7. Mô hình khe hở không khí đề nghị Trang 54
Hình 3.8. Sơ đồ khối điều khiển SC Trang 56
Hình 3.9. Khai báo các thông số trong Breaker Trang 56
Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng phóng điện khe hở không khí
trong Matlab Trang 57
Hình 3.11. Tạo biểu tượng cho mô hình trong Matlab Trang 57
Hình 3.12. Biểu tượng mô hình khe hở phóng điện
không khí Spark Gap Trang 58
Hình 3.13. Sơ đồ mạch mô phỏng Spark Gap với nguồn xung áp Trang 58
Hình 3.14. Khai báo các thông số của mô hình Trang 59
Hình 3.15. Đáp ứng cuả Spark Gap có V
break
= 3kV
với xung áp 1.2/50 µs 5kV Trang 59
Hình 3.16a. Đáp ứng cuả Spark Gap có V
break
= 3kV
với xung áp 1.2/50 µs 10kV Trang 59
Hình 3.16b. Đáp ứng cuả Spark Gap có V
break
= 3kV

với xung áp 10/700 µs 10kV Trang 60
Hình 3.17. Sơ đồ mạch mô phỏng Spark Gap với nguồn xung dòng Trang 60
Hình 3.18. Dạng sóng xung dòng 8/20µs 5kA Trang 61
Hình 3.19. Đáp ứng của SG Trang 61
Hình 3.20. Dạng sóng xung dòng 10/350µs 5kA Trang 61
Hình 3.21. Đáp ứng của SG Trang 61
Hình 3.22a. Sơ đồ cấu tạo Triggered Spark Gap
với điện trở phi tuyến Trang 62
Hình 3.22b. Sơ đồ khối điều khiển TSG Trang 62
Hình 3.23. Biểu tượng của TSG Trang 62
ix

Hình 3.24. Sơ đồ cấu tạo của khối điện trở phi tuyến Trang 63
Hình 3.25. Dạng sóng xung áp 1.2/50µs 10kV Trang 63
Hình 3.26. Đáp ứng của TSG Trang 63
Hình 3.27. Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 3kA Trang 64
Hình 3.28. Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 5kA Trang 64
Hình 3.29. Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 10/350µs 5kA Trang 64
Hình 3.30. Sơ đồ cấu tạo Triggered Spark Gap với điện trở phi tuyến Trang 65
Hình 3.31. Sơ đồ khối điều khiển Trang 65
Hình 3.32. Sơ đồ cấu tạo của khối điện trở phi tuyến Trang 65
Hình 3.33. Bảng khai báo dữ liệu input và output
của bảng tra Look_up Trang 66
Hình 3.34. Đáp ứng của chống sét TSG đối với xung 3kA Trang 66
Hình 3.35. Đáp ứng của chống sét TSG đối với xung 20kA Trang 67
Hình 3.36. Bảng dữ liệu đặc tuyến V-I khai báo trong Mask editor Trang 67
Hình 3.37. Sơ đồ mạch mô phỏng đáp ứng của chống sét TSG
có điện trở phi tuyến Trang 67
Hình 3.38. Đáp ứng của mô hình TSG với biên độ xung 3kA Trang 68
Hình 3.39. Đáp ứng của mô hình TSG với biên độ xung 5kA Trang 68

Hình 3.40. Đáp ứng của mô hình TSG với biên độ xung 20kA Trang 69
Hình 3.41. Đáp ứng của mô hình TSG với xung 10/350µs 3kA Trang 69
Hình 3.42. Đáp ứng của mô hình TSG với xung 10/350µs 10kA Trang 70
Hình 3.43. Mô hình điện trở phi tuyến Trang 72
Hình 3.44. Mô hình và vòng trễ V-I Trang 73
Hình 3.45. Đường cong V-I và vòng trễ Trang 74
Hình 3.46. Mô hình phụ thuộc tần số IEEE Trang 76
Hình 3.47. Đặc tuyến đơn vị của phần tử phi tuyến A0 và A1 Trang 78
Hình 3.48. Mô hình MOV đề nghị bởi Mardira Trang 80
Hình 3.49. Xung dòng chuẩn 8/20µs 10kA và điện áp dư
trên MOV thử nghiệm Trang 82
x

Hình 3.50. Quan hệ dòng điện – điện áp của mô hình MOV Trang 82
Hình 3.51. Sơ đồ nguyên lý của mô hình Trang 83
Hình 3.52. Sơ đồ thiết kế phần tử phi tuyến A0 Trang 85
Hình 3.53. Mô hình MOV theo IEEE Trang 87
Hình 3.54 Sơ đồ mạch tương đương của mô hình MOV đề nghị Trang 88
Hình 3.55. Đặc tính V-I của MOV có sai số TOL ± 10% Trang 89
Hình 3.56. Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V= f(I) của MOV Trang 90
Hình 3.57. Mô hình MOV hạ thế Trang 91
Hình 3.58. Biểu tượng mô hình MOV hạ thế Trang 91
Hình 3.59. Hộp thoại khai báo biến Parameters
của mô hình MOV hạ thế Trang 92
Hình 3.60. Hộp thoại Initialization của mô hình MOV hạ thế Trang 93
Hình 3.61. Hộp thoại thông số của mô hình MOV hạ thế Trang 93
Hình 3.62. Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV hạ thế Trang 94
Hình 3.63. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV
khi mô phỏng MOV B40K275 với xung dòng 8/20µs 5kA Trang 95
Hình 3.64. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV

khi mô phỏng MOV B40K275 với xung dòng 8/20µs 10kA Trang 95
Hình 3.65. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV
khi mô phỏng MOV VE17M2750K với xung 8/20µs 2kA Trang 96
Hình 3.66. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV
khi mô phỏng MOV VE17M2750K với xung 8/20µs 3kA Trang 96
Hình 3.67. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV
khi mô phỏng V275LA40A với xung 8/20µs 3kA Trang 97
Hình 3.68. Điện áp dư và dòng điện qua mô hình MOV
khi mô phỏng V275LA40A với xung 8/20µs 5kA Trang 97
Hình 3.69. Hệ thống bảo vệ xung áp 3 tầng sử dụng
Spark Gap /Triggered Spark Gap Trang 100
Hình 3.70. Hệ thống bảo vệ xung áp 2 tầng sử dụng
xi

Spark Gap /Triggered Spark Gap Trang 101
Hình 3.71. Hệ thống bảo vệ xung áp 2 tầng bằng MOV Trang 101
Hình 3.72. Tổng trở giữa các tầng bảo vệ Trang 102
Hình 3.73. Các thông số của bảo vệ chống sét cấp II và cấp III Trang 102
Hình 3.74. Các thông số của chống sét Spark Gap
và Triggered Spark Gap Trang 103
Hình 3.75. Đáp ứng của TSG-MOV1-MOV2
đối với xung dòng 10/350µs 3kA Trang 103
Hình 3.76. Đáp ứng của SG-MOV1-MOV2
đối với xung dòng 10/350µs 3kA Trang 103
Hình 3.77a. Đáp ứng của TSG-MOV2
đối với xung dòng 10/350µs 3kA Trang 104
Hình 3.77b. Đáp ứng của SG-MOV2
đối với xung dòng 10/350µs 3kA Trang 105
Hình 3.78. Đáp ứng của MOV1-MOV2
đối với xung dòng 10/350µs 3kA Trang 106

Hình 3.79a. Đáp ứng của TSG-MOV1-MOV2
đối với xung dòng 8/20µs 3kA Trang 107
Hình 3.79b. Đáp ứng của SG-MOV1-MOV2
đối với xung dòng 8/20µs 3kA Trang 108
Hình 3.80a. Đáp ứng của TSG-MOV2
đối với xung dòng 8/20µs 3kA Trang 109
Hình 3.80b. Đáp ứng của SG-MOV2
đối với xung dòng 8/20µs 3kA Trang 109
Hình 3.81. Đáp ứng của MOV1-MOV2
đối với xung dòng 8/20µs 3kA Trang 110
Chương mở đầu

Trang 1
CHNG M ĐU
I. ĐẶT VN Đ
Nước Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hu thun lợi cho
sự phát triển ca dông sét vì vy trong mng điện, đặc biệt là mng lưới điện h áp,
tuy không truyền ti công sut lớn nhưng phm vi phân bố rng lớn và cung cp
điện trực tiếp cho h tiêu th nên nó là nguyên nhân dn sét vào công trình, gây
ngừng dịch v, hư hỏng thiết bị.
Nhu cầu sử dng các thiết bị điện tử được sử dng ngày càng nhiều và rt phổ
biến trong các tòa nhà, các công trình ở mọi lãnh vực như viễn thông, phát thanh,
truyền hình, công nghiệp…. các thiết bị này vốn rt nhy cm với điện áp, cách điện
không cao. Mặt khác trong thực tế phần lớn hư hỏng do sét gây ra li do sét đánh
lan truyền hay ghép cm ứng, vì vy việc nghiên cứu chế to, đề ra các gii pháp
chống sét, lựa chọn, phối hợp các thiết bị bo vệ phù hợp là cần thiết.
Hiện nay trên thị trường có rt nhiều loi sn phẩm chống sét lan truyền trên
đường nguồn h áp ca nhiều nhà sn xut khác nhau trên thế giới, về cơ bn các
thiết bị bo vệ chống sét có cu to bao gồm nhiều phần tử bo vệ được phân loi
theo các cp (tiêu chuẩn IEC 61643-1). Bao gồm:

 Phần tử bo vệ chống sét cp I (Class I): thường là khe hở phóng điện
cơ bn (SG-Spark Gap) hay khe hở phóng điện tự kích (TSG-Triggered
Spark Gap).
 Bo vệ chống sét cp II (Class II, Class III): thường là điện trở phi
tuyến ( MOV-Metal Oxyde Varistor).
Các phần tử bo vệ có cp bo vệ khác nhau thì sẽ khác nhau về hiệu qu bo vệ
(điện áp thông qua, tốc đ đáp ứng, kh năng tn năng lượng sét,….) vị trí lắp đặt
và phm vi ứng dng…. Do đó, vn đề được đặt ra là lựa chọn phối hợp các phần tử
bo vệ để to thành thiết bị bo vệ chống sét hoàn thiện có nhiều tầng, nhằm tối ưu
hóa các tính năng bo vệ và nâng cao đ tin cy trong quá trình vn hành.
Chương mở đầu

Trang 2
Lun văn này nghiên cứu mô hình phối hợp các phần tử bo vệ chống sét trên
đường nguồn h áp nhằm mc đích đánh giá hiệu qu bo vệ với các phương án
phối hợp khác nhau giữa các phần tử bo vệ. Các mô hình phối hợp các phần tử bo
vệ được kho sát gồm có:
- Mô hình bo vệ quá điện áp 3 tầng cổ điển.
- Mô hình bo vệ quá điện áp 3 tầng ci tiến.
- Mô hình bo vệ quá điện áp 2 tầng.
Bên cnh đó, vn đề kiểm tra việc phối hợp năng lượng cũng được xem xét.
II. NHIM V CA LUN VĂN
1. Xây dựng mô hình phần tử bo vệ chống sét cp I (Spark Gap và
Triggered Spark Gap).
2. Xây dựng mô hình phần tử bo vệ chống sét cp II (MOV-Metal Oxide
Varistor).
3. Xây dựng mt số mô hình nguồn xung sét tiêu chuẩn.
4. Mô phỏng mô hình bo vệ quá điện áp 3 tầng và 2 tầng trên lưới h thế.
5. So sánh và đánh giá phương án kết hợp các phần tử bo vệ.
III. PHM VI NGHIÊN CU

1. Nghiên cứu tính năng các thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn
h áp.
2. Mô hình hoá và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn
h áp.
3. Nghiên cứu phần mềm mô phỏng h trợ.
IV. CÁC BC TIN HÀNH
1. Thu thp tài liệu từ các nguồn khác nhau như sách báo, tp chí và Internet.
2. Tổng hợp và phân tích tài liệu.
3. Nghiên cứu phần mềm hổ trợ mô phỏng.
4. Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét trong và ngoài nước.
5. Lp mô hình đơn gin phần tử SG (Spark Gap).
Chương mở đầu

Trang 3
6. Lp mô hình phần tử MOV (Metal Oxide Varistor).
7. Lp mô hình phần tử Triggered Spark Gap.
8. Mô phỏng và đánh giá kết qu ca mô hình bo vệ quá điện áp 3 tầng và 2
tầng trên lưới h áp.
V. ĐIM MI CA LUN VĂN
1. Xây dựng mô hình phần tử SG, TSG, MOV trong môi trường Matlab.
2. Xây dựng và đánh giá hiệu qu bo vệ ca mô hình bo vệ quá điện áp 2
tầng và 3 tầng.
VI. GIÁ TR THC TIN CA Đ TÀI
Đề tài dự kiến sẽ đt được những kết qu mang tính thực tiễn như sau:
1. Kết qu nghiên cứu phần nào đáp ứng công tác nghiên cứu lựa chọn, phối
hợp và kiểm tra hiệu qu các thiết bị bo vệ chống sét lan truyền trên
đường nguồn h áp mt cách hợp lỦ trong điều kiện thiếu phòng thí
nghiệm hiện nay.
2. Cung cp các mô hình máy phát xung sét và các phần tử bo vệ hữu ích
cho cho những ai quan tâm đến việc nghiên cứu các đáp ứng ca thiết bị

chống sét dưới tác đng ca xung sét lan truyền và đánh giá hiệu qu ca
các hệ thống bo vệ chống sét lan truyền trên đường cp nguồn cho công
trình.
3. Tài liệu tham kho cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành
k thut điện.
VII. NI DUNG CA LUN VĂN
Lun án gồm 5 chương:
Chương Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng quá đ và các thiết bị bo vệ quá áp trên
đường nguồn h áp.
Chương mở đầu

Trang 4
Chương 2: Giới thiệu phần mềm MatLab & Xây dựng mô hình máy phát
xung.
Chương 3: Xây dựng mô hình các phần tử bo vệ xung sét trên đường nguồn
h áp.
Chương Kết lun.


Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp







Trang 5

Chng 1
TNG QUAN V HIN TNG QUỄ Đ VÀ CỄC THIT
B BO V QUỄ ỄP TRểN ĐNG NGUN H ỄP

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).
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.
Bảo vệ hệ thống điện xoay chiều hạ áp chống lại các hiện tượng quá áp quá
độ đang là mối quan tâm để bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp, bảo đảm an
toàn cho các thiết bị. Hiện nay các thiết bị điện - điện tử có mức điện áp chịu xung

Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp







Trang 6
thấp ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, phương pháp hữu hiệu
và kinh tế nhất để bảo vệ quá áp cho thiết bị này chính là chọn và lắp đặt các thiết bị
bảo vệ hạ áp có khả năng làm việc lâu dài và vận hành với độ tin cậy cao.
Một thực tế nữa là ở Việt Nam các mô hình thử nghiệm hay máy 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.
1.1 Gii thiu
Ngày nay, với sự tham gia của nhiều phần tử bán dẫn đã dẫn đến sự quan
tâm về độ tin cậy của hệ thống điện, các phần tử bán dẫn này rất nhạy cảm với các
hiện tượng quá áp, tản mạng có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay
chiều. Việc sử dụng các phần tử bán dẫn ban đầu cũng bị hư hỏng rất nhiều mà
không thể giải thích, qua khảo sát các hư hỏng cho thấy chúng bị hư hỏng là do các
điều kiện quá áp khác nhau xuất hiện trong hệ thống điện phân phối.
Quá áp trong mạch điện xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh cửu hay tạm
thời các phần tử điện tử và hệ thống, bảo vệ chống lại quá áp quá độ có thể thực
hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà sẽ giới hạn biên độ
của quá áp quá độ bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bởi việc làm chệch hướng
quá độ bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt. Các thiết bị được chọn để bảo vệ hệ

thống phải có khả năng làm tiêu tán năng lượng xung của quá độ, vì thế hệ thống
điện sẽ không còn bị ảnh hưởng.



Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp







Trang 7








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 Hin tng quá đ
Sự xuất hiện các xung quá áp trên điện áp bình thường của hệ thống là một
dạng nhiễu loạn, sự tăng giảm biên độ diễn ra trong thời gian tức thời, việc thao tác
cắt điện hay là sự kết hợp các yếu tố trên là các khái niệm tổng quát hóa về hiện

tượng quá độ. Thông thường kết quả của hiện tượng quá điện áp này gây nên hư
hỏng nhanh chóng các phần tử bán dẫn và các phần tử nhạy cảm khác, nghiêm trọng
hơn là sự mất khả năng điều khiển hệ thống logic; khi đó hệ thống có thể hiểu các
xung quá độ là tín hiệu điều khiển và cố gắng thực hiện theo.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định nguyên nhân của xung quá
độ trong hệ thống điện, và kết quả thu được có thể là do một trong những nguyên
nhân sau:
 Sét.
 Đóng, cắt các tiếp điểm ở trạng thái mang tải.
 Sự lan truyền xung thông qua các máy biến áp.
 Sự thay đổi tải trong các hệ thống gần kề.
 Sự dao động và các xung công suất .
 Ngắn mạch hay nổ cầu chì.
Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp







Trang 8


Hệ thống điện bao gồm một mạng lớn các đường dây truyền tải, phân phối
liên kết với nhau và thường bị nhiễu bởi các quá độ bắt nguồn từ một trong các
nguyên nhân đã đề cập ở trên.
Xung quá độ do sét sinh ra có thể tạo ra một dòng điện rất cao trong hệ
thống, các tia sét này thường đánh vào các dây truyền tải sơ cấp, nhưng có thể
truyền qua các dây thứ cấp thông qua các điện cảm hay tụ điện mắc trong mạch, đôi

khi các tia sét đánh trực tiếp vào hệ thống bảo vệ chống sét hay các cấu trúc kim
loại của các tòa nhà cũng gây nên hiện tượng quá áp trên hệ thống điện trong tòa
nhà do việc lan truyền của xung sét. Thậm chí khi tia sét không đánh trúng đường
dây cũng có thể cảm ứng một điện áp đáng kể trên đường dây sơ cấp, các chống sét
van hoạt động và sinh ra quá độ.
Xung quá độ sinh ra do đóng cắt thiết bị ít nguy hiểm, nhưng xảy ra thường
xuyên hơn, có thể gây ra quá độ làm hư hỏng các thiết bị đấu nối trên lưới. Việc sử
dụng các thyristor trong mạch đóng cắt hay điều khiển công suất cũng có thể tạo ra
quá độ như vậy.
Nghiên cứu và thực nghiệm đã cho thấy trong hệ thống điện hạ áp xoay
chiều công nghiệp hay dân dụng, biên độ của quá độ tương ứng với tỷ lệ xuất hiện
của nó (ví dụ như biên độ quá độ nhỏ thì xuất hiện thường hơn). Tỷ lệ xuất hiện của
các xung quá độ khác nhau rất nhiều và phụ thuộc vào từng hệ thống, theo số liệu
thống kê xung 1kV hay nhỏ hơn thì xảy ra tương đối phổ biến trong khi xung 3kV
thì hiếm hơn.
Mối quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ dòng sét được trình bày ở
Hình 1.2. Giá trị đỉnh dòng sét kA







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

Tổng quan hiện tượng q độ và các thiết bị bảo vệ q áp trên đường nguồn hạ áp

Trang 9
- 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.)
Dạng xung sét phụ thuộc vào cách thức sét tác động vào đường dây tải điện
hay đường tín hiệu.
1.3 Các dng xung q đ đin hình
1.3.1 Các dng xung q đ
Bảng 1.1 trình bày điện áp và dòng điện xung được cho là điển hình của q
độ trong hệ thống xoay chiều hạ áp trong nhà, là tài liệu thao khảo cho việc lựa
chọn thiết bị bảo vệ q độ.
Bảng 1.1: Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà.



Nghiên cứu mạng điện hạ áp trong nhà phát hiện rằng q độ bắt gặp trong
mục A (mạch nhánh dài và mạch ra) có dạng sóng với tần số thay đổi từ 5kHz đến
hơn 500kHz; trong đó dạng sóng với tần số 100kHz được xem là phổ biến nhất
(Hình 1.3). Xung đo được tại đường nguồn trong mục B (mạch cung cấp chính và
mạch nhánh ngắn), dao động và khơng trực tiếp trong tự nhiên.


Tng quan hin tng quỏ v cỏc thit b bo v quỏ ỏp trờn ng ngun h ỏp

Trang 10






Hỡnh 1.3: Daùng soựng Hỡnh 1.4: Daùng soựng xung
0.5

s-100kHz (aựp maùch hụỷ) aựp 1.2/50

s

1.3.1.1 Dng súng 10/350às
Dng súng 10/350às thng l xung sột lan truyn do sột ỏnh trc tip vo
ng dõy trờn khụng lõn cn cụng trỡnh hoc ỏnh trc tip vo kim thu sột trờn
nh cụng trỡnh.

Hỡnh 1.5a. Sột ỏnh trc tip vo kim thu Hỡnh 1.5b. Sột ỏnh trc tip vo ng dõy
sột trờn nh cụng trỡnh trờn khụng lõn cn cụng trỡnh






Hỡnh 1.6. Dng súng 10/350às