bảo vệ chống xung quá độ trong mạng hạ áp

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
DƯƠNG ANH HÀO

BẢO VỆ CHỐNG XUNG QUÁ ĐỘ TRONG MẠNG HẠ ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 3 5 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
DƯƠNG ANH HÀO

BẢO VỆ CHỐNG XUNG QUÁ ĐỘ
TRONG MẠNG HẠ ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
DƯƠNG ANH HÀO

BẢO VỆ CHỐNG XUNG QUÁ ĐỘ
TRONG MẠNG HẠ ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC
Họ & tên:
Dương Anh Hào
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 03/10/1978
Nơi sinh: Tp. Rạch Giá, Kiên Giang.

Quê quán: Tp. Rạch Giá, Kiên Giang.
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 6B Kp Vĩnh Viễn, phường Vĩnh Hiệp, Tp. Rạch
Giá, tỉnh Kiên Giang.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng: 0773.700939.
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo: từ tháng 9/1997 đến tháng 01/2003.

Nơi học: Trường Đại Học Cần Thơ.
Ngành học: Điện tử.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp:
Người hướng dẫn:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thời gian
Từ 11/2004 đến nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Viễn thông Kiên Giang

Nhân viên.

Tp, Hồ Chí Minh, ngày 18

tháng 9 năm 2014

Dương Anh Hào

HVTH: Dương Anh Hào

i


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của 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.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 9 năm 2014
Người cam đoan

DƯƠNG ANH HÀO

HVTH: Dương Anh Hào

ii

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô trong bộ môn Hệ thống
điện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh, Trường Đại Học Bách
Khoa TP. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt
khóa học.
Em xin bày tỏ long biết ơn sâu sắc với Thầy PGS.TS. Quyền Huy Ánh, người
đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp em xây dựng và hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ và động
viên tôi trong khoảng thời gian tôi học tập và nghiên cứu.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 9 năm 2014
Người thực hiện

Dương Anh Hào

HVTH: Dương Anh Hào

iii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

TÓM TẮT
Bảo vệ hệ thống điện xoay chiều hạ áp chống lại các hiện tượng quá áp quá độ
đang là mối quan tâm chủ yếu để bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp, bảo đảm

an toàn cho các thiết bị. Hiện nay, các thiết bị điện-điện tử có mức cách điện xung
áp thấp ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện. Vì vậy, phương pháp
hữu hiệu và kinh tế nhất để bảo vệ quá áp cho thiết bị điện-điện tử chính là chọn và
lắp đặt các thiết bị bảo vệ có hiệu quả bảo vệ cao, khả năng làm việc lâu dài và đáng
tin cậy.
Luận văn này đi sâu nghiên cứu mô hình thiết bị chống quá áp do sét lan
truyền trên đường nguồn hạ áp, cụ thể:
1. Xây dựng mô hình các máy phát xung dòng 1/5µs, 4/10µs, 8/20µs,
10/350µs và máy phát xung áp 1.2/50µs, 10/700µs.
2. Xây dựng mô hình MOV hạ thế, trong môi trường Matlab với sai số điện áp
dư thấp hơn 5% so với dữ liệu cung cấp bởi nhà sản xuất.
3. Xây dựng các phương trình và đặc tuyến liên hệ của điện áp dư theo điện áp
ngưỡng và dòng xung sét các MOV hạ thế đơn và đa khối thông dụng, tạo điều kiện
thuận lợi cho người sử dụng có thể xác định điện áp dư một cách nhanh chóng và
tương đối chính xác.
4. Xây dựng đặc tuyến liên hệ giữa sai số điện áp ngưỡng và hệ số dự trữ của
MOV đa khối, giúp xác định hệ số dự trữ cũng như số MOV mắc song song một
cách nhanh chóng và chính xác.
Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà
nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong việc nghiên cứu các
đáp ứng của thiết bị chống quá áp dưới tác động của xung sét lan truyền.

HVTH: Dương Anh Hào

iv


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

ABSTRACT
AC low voltage protection systems against overvoltage transient phenomenon
is a concern primarily to ensure power supply quality, ensure the safety of the
device. Currently, the electric-electronic equipment with low voltage impulse
insulation level has been widely used in the electrical system. Therefore, the
effective and most economical surge protection methods for power-electronic
equipment is select and install the protective devices which have high efficiency
protection, ability to work long-term and reliable.
This thesis studied in depth the model of surge protector on power lines,
namely:
1. Modeling the current surge generator of 1/5μs, 4/10μs, 8/20μs, 10/350μs
wave form and the voltage surge generator of 1.2/50μs, 10/700μs wave form.
2. Construct the low voltage MOV model in Matlab environment with the
residual voltage error of less than 5% compared to the data provided by the
manufacturer.
3. Construct the equation and the characteristic relationship between the
residual voltage, the reference voltage and the surge rated current of low voltage
MOV single and multi blocks, creating favorable conditions for the user to quickly
determine the residual voltage with fairly accurately.
4. Construct the characteristic relationship between residual and reference
voltage of the reserve ratio of MOV multiple blocks, to help determine quickly and
accurately the reserve ratio and the quantity of parallel MOVs.
The study results will provide a useful simulation tool for researchers, teachers,
and university students in the study of the response of surge protection devices
under the impact of the surge lightning on the power lines.

HVTH: Dương Anh Hào

v

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

MỤC LỤC
Trang
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ..............................................................................................

i

Lời cam đoan ...................................................................................................

ii

Lời cảm ơn ......................................................................................................

iii

Tóm tắt ............................................................................................................

iv

Mục lục ............................................................................................................

vi

Danh sách các bảng .........................................................................................

ix

Danh sách các hình..........................................................................................

x

Chương 1 Tổng Quan ...................................................................................

1

1.1. Giới thiệu..................................................................................................

1

1.2. Tổng quan về các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp ...........

3

1.2.1 Giới thiệu ................................................................................................

3

1.2.2.Hiện tượng quá độ ..................................................................................

4

1.2.3.Tỷ lệ xuất hiện của hiện tượng quá độ ...................................................

5

1.2.4.Hiện tượng quá độ tiêu biểu ...................................................................

7

1.2.5.Bảo vệ quá độ .........................................................................................

8

1.2.6.Các thiết bị bảo vệ quá áp ......................................................................

9

1.Bộ lọc ..........................................................................................................

9

2.Máy biến áp cách ly .....................................................................................

10

3.Khe hở phóng điện .......................................................................................

11

4.Diode thác Silic ............................................................................................

12

5.Biến trở Oxit kim loại (MOV) .....................................................................

13

1.2.7. So sánh các thiết bị bảo vệ quá áp phổ biến .........................................

15

1.2.8.Lựa chọn các thiết bị bảo vệ quá áp .......................................................

16

1.3.Nhiệm vụ của đề tài...................................................................................

16

HVTH: Dương Anh Hào

vi


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

1.4.Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................

16

1.5.Các bước tiến hành ....................................................................................

16

1.6.Điểm mới của luận văn .............................................................................

17

1.7.Giá trị thực tiễn của đề tài .........................................................................

17

1.8.Nội dung đề tài ..........................................................................................

18

Chương 2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến trở Oxit kim loại
(MOV) ...........................................................................................................

19

2.1.Cấu tạo cơ bản ...........................................................................................

19

2.1.1.Giới thiệu ...............................................................................................

19

2.1.2. Cấu trúc vi mô .......................................................................................

20

2.2.Tính năng hoạt động của biến trở Oxit kim loại (MOV) ..........................

23

2.3. Đặc tính V-I..............................................................................................

27

2.4.Sơ đồ tương đương ....................................................................................

29

2.4.1.Trong vùng dòng điện rò thấp <10-4A ...................................................

30

2.4.2.Trong vùng hoạt động bình thường (10-5 – 103A) .................................

31

2.4.3.Trong vùng dòng điện cao (>103A) .......................................................

32

2.5.Thời gian đáp ứng ....................................................................................

32

2.6.Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình.............................

33

2.6.1.Năng lượng cho phép .............................................................................

33

2.6.2. Công suất tiêu tán trung bình ...............................................................

35

2.7.Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................

36

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

38

Chương 3.Xây dựng mô hình nguồn phát xung .........................................

39

3.1.Các dạng xung không chu kỳ chuẩn và phương trình toán của chúng .....

39

3.2.Xây dựng mô hình nguồn phát xung ..........................................................

42

Chương 4.Xây dựng mô hình biến trở Oxit kim loại MOV ......................

48

4.1.Mô hình MOV trong Matlab .....................................................................

48

4.2.Mô hình MOV hạ thế đề xuất ...................................................................

50

4.2.1.Khối look-up Table ................................................................................

53

HVTH: Dương Anh Hào

vii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

4.2.2.Xây dựng mô hình điện trở phi tuyến trên Matlab.................................

53

4.2.3.Xây dựng mô hình MOV hạ thế hoàn chỉnh trên Matlab ......................

55

4.3.Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với xung dòng chuẩn ...........................

59

4.4. Kết luận ....................................................................................................

64

Chương 5.Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ của thiết bị
chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp ...........................................

65

5.1. Phân vùng bảo vệ .....................................................................................

65

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

66

5.3. Các chỉ tiêu chính đánh giá thiết bị chống sét lan truyền ........................

67

5.4. MOV đơn khối .........................................................................................

68

5.4.1. Mô phỏng và đo lường điện áp dư (Vr) MOV đơn khối .......................

68

5.5. MOV đa khối............................................................................................

79

5.5.1. Hệ số dự trữ ...........................................................................................

79

5.5.2. Mô phỏng và đo lường điện áp ngưỡng MOV đa khối .........................

91

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

98

5.6.1. Về khả năng tản sét ...............................................................................

98

5.6.2. Khả năng tản nhiệt ................................................................................

99

5.6.3. Khả năng chia tản các dòng sét .............................................................

99

5.6.4. Khả năng hiển thị tuổi thọ của thiết bị ..................................................

99

5.6.5. Khả năng dẫn dòng................................................................................

99

5.6.6. Độ dự trữ an toàn .................................................................................. 100
5.6.7. Điện áp dư ............................................................................................. 100
5.6.8. Giá thành ............................................................................................... 100
Chương 6. Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển ................................ 101
6.1. Kết luận .................................................................................................... 101
6.2. Hướng phát triển ...................................................................................... 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 103

HVTH: Dương Anh Hào

viii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 1.1: Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà ............................. 7
Bảng 1.2: Các loại thiết bị bảo vệ quá áp quá độ .................................................... 15
Bảng 3.1: Bảng thông số các hệ số .......................................................................... 42
Bảng 4.1: Thông số cho trong Catalogue của 5 loại MOV hạ thế của Siemens ...... 60
Bảng 4.2: Điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế Siemens với xung dòng 8/20µs ... 61
Bảng 4.3: Thông số cho trong Catalogue của 2 loại MOV hạ thế hãng AVX.......... 62
Bảng 4.4: Điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế AVX với xung dòng 8/20µs ......... 64
Bảng 5.1: Xung sét cực đại theo vùng bảo vệ và mật độ sét .................................... 66
Bảng 5.2: Bảng tổng hợp kết quả điện áp dư trên mô hình MOV hạ thế đơn khối khi
mô phỏng với dòng xung 8/20µs với biên độ và điện áp ngưỡng khác nhau ......... .70
Bảng 5.3: Bảng tổng hợp phương trình liên hệ giữa điện áp dư (Vr) và điện áp
ngưỡng (Vn) của MOV đơn khối................................................................................ 71
Bảng 5.4: Bảng tổng hợp thông số điện áp dư và đặc tuyến vừa xây dựng so với
Catalogue của nhà sản xuất và sai số ...................................................................... 76
Bảng 5.5: Bảng tổng kết hệ số dự trữ của MOV_8kA mắc song song ..................... 87
Bảng 5.6: Bảng tổng hợp thông số điện áp dư khi tiến hành mô phỏng MOV đa khối
trên Matlab ................................................................................................................ 91
Bảng 5.7: Bảng tổng hợp phương trình liên hệ của điện áp dư theo điện áp ngưỡng
và dòng xung sét của MOV đa khối .......................................................................... 93

HVTH: Dương Anh Hào

ix

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Tỷ lệ xuất hiện của xung theo biên độ điện áp tại các khu vực không được
bảo vệ . ........................................................................................................................ 6
Hình 1.2: Dạng sóng 0.5µs_100kHz (áp mạch hở) ................................................... 7
Hình 1.3: Dạng sóng gián tiếp (phía ngoài) .............................................................. 7
Hình 1.4: Khả năng chịu đựng xung lặp lại ............................................................. 14
Hình 2.1: Đặc tuyến V/I của MOV trong vùng tuyến tính ....................................... 19
Hình 2.2: Cấu tạo MOV .......................................................................................... 20
Hình 2.3: Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I ...................................................... 21
Hình 2.4: Vi cấu trúc của Ceramic .......................................................................... 22
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO ................................ 23
Hình 2.6: Lưu đồ chế tạo biến trở MOV ................................................................. 24
Hình 2.7: Cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói .................................. 25
Hình 2.8: Sơ đồ năng lượng tiếp giáp giữa hạt hạt ZnO-biên-hạt-ZnO .................. 26
Hình 2.9: Quan hệ điện rào với điện áp đặt vào ...................................................... 27
Hình 2.10: Đặc tính V-I của MOV ........................................................................... 28
Hình 2.11: Đặc tính R-V của MOV .......................................................................... 29
Hình 2.12: Mô hình mạch tương đương của biến trở .............................................. 30
Hình 2.13: Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dòng rò ............................ 30
Hình 2.14: Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng hoạt động bình thường .... 31
Hình 2.15: Sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dòng điện cao .................. 32

Hình 2.16: Đáp ứng của biển trở MOV xung tốc độ cao ........................................ 33

HVTH: Dương Anh Hào

x


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

Hình 2.17: Đáp ứng của biển trởtính đến điện cảm đầu dây nối đối với xung dòng
điện ........................................................................................................................... 33
Hình 2.18: Dạng sóng thử nghiệm 2ms .................................................................... 34
Hình 2.19: Số lần xung có thể chịu đựng được của một loại MOV ......................... 35
Hình 2.20: Quan hệ công suất tiêu tán và điện áp (α = 10, 30, 50) ....................... 36
Hình 2.21: Đặc tính V-I của một MOV chuẩn theo nhiệt độ (vùng dòng rò) .......... 36
Hình 2.22: Đặc tính V-I của một MOV chuẩn theo nhiệt độ (vùng dòng cao) ........ 37
Hình 2.23: Hình ảnh hiển vi của sự đánh thủng gây nóng chảy tại cạnh của điện
cực (ảnh trên) và từ đỉnh của điện cực (bên dưới) ................................................... 38
Hình 3.1: Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn....................................................... 39
Hình 3.2: Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần ....................................... 40
Hình 3.3: Đường cong xác định b/a từ tỷ số t2/t1 ..................................................... 40
Hình 3.4: Đường cong xác định at1 từ tỷ số b/a, khi biết t1 ..................................... 41
Hình 3.5: Đường cong xác định I1/I từ tỷ số b/a, khi biết I1 .................................... 41
Hình 3.6: Mô hình toán của xung dòng ................................................................... 43
Hình 3.7a: Nguồn xung dòng không chu kỳ ............................................................. 43
Hình 3.7b: Nguồn xung áp không chu kỳ ................................................................. 43
Hình 3.8: Mô hình nguồn xung dòng và áp không chu kỳ........................................ 44
Hình 3.9a: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng ......................................................... 44

Hình 3.9b: Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp ............................................................. 44
Hình 3.10: Thông số mô hình nguồn xung dòng ...................................................... 45
Hình 3.11: Dạng dòng xung 1/5µs_10kA ................................................................. 45
Hình 3.12: Dạng dòng xung 4/10µs_10kA ............................................................... 45
Hình 3.13: Dạng dòng xung 8/20µs_10kA ............................................................... 45

HVTH: Dương Anh Hào

xi


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

Hình 3.14: Dạng dòng xung 10/350µs_10kA ........................................................... 46
Hình 3.15: Thông số mô hình nguồn xung áp .......................................................... 46
Hình 3.16: Dạng xung áp 1.2/50µs_10kV ................................................................ 47
Hình 3.17: Dạng xung áp 10/700µs_10kV ............................................................... 47
Hình 4.1: Quan hệdòng điện – điện áp của mô hình MOV ...................................... 48
Hình 4.2: Hộp thoại của mô hình MOV trong Matlab ............................................. 49
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý của mô hình ................................................................... 50
Hình 4.4: Sơ đồ mạch tương đương của mô hình MOV đề nghị .............................. 51
Hình 4.5: Đặc tính V-I của MOV có sai số TOL = ±10%........................................ 52
Hình 4.6: Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V=f(I) của MOV ................................. 53
Hình 4.7: Mô hình MOV hạ thế ................................................................................ 55
Hình 4.8: Biểu tượng mô hình MOV hạ thế ............................................................. 56
Hình 4.9: Hộp thoại khai báo biến Parameters của mô hình MOV hạ thế .............. 57
Hình 4.10: Hộp thoại Initialization của mô hình MOV hạ thế ................................ 58
Hình 4.11: Thông báo lỗi của mô hình MOV hạ thế ................................................ 58

Hình 4.12: Hộp thoại thông số của mô hình MOV hạ thế........................................ 59
Hình 4.13: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV hạ thế đề nghị ............................... 59
Hình 4.14: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV B40K275
(hãng Siemens) với xung 3kA 8/20s. ....................................................................... 60
Hình 4.15: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV B40K275
(hãng Siemens) với xung 20kA 8/20s ...................................................................... 61
Hình 4.16: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV
VE14M02750K (hãng AVX) với xung 2kA 8/20s .................................................... 63

HVTH: Dương Anh Hào

xii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

Hình 4.17: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế khi mô phỏng MOV
VE14M02750K (hãng AVX) với xung 3kA 8/20s .................................................... 63
Hình 5.1: Các dạng xung sét tiêu chuẩn .................................................................. 65
Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng MOV hạ thế đơn khối .................................................... 68
Hình 5.3: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối In = 4.5kA (TOL = 10%)
với xung thử 1.5kA 8/20µs ........................................................................................ 69
Hình 5.4: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối In = 4.5kA (TOL = 10%)
với xung thử 3kA 8/20µs ........................................................................................... 69
Hình 5.5: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế đơn khối In = 4.5kA (TOL = 10%)
với xung thử 4.5kA 8/20µs ........................................................................................ 70
Hình 5.6: Đặc tính Vr-Vn của MOV hạ thế đơn khối 4.5kA, TOL = 10% . .............. 73
Hình 5.7: Đặc tính Vr-Vn của MOV hạ thế đơn khối 8kA, TOL = 10%. .................. 73

Hình 5.8: Đặc tính Vr-Vn của MOV hạ thế đơn khối 25kA, TOL = 10%. ................ 74
Hình 5.9: Đặc tính Vr-Vn của MOV hạ thế đơn khối 40kA, TOL = 10%. ................ 74
Hình 5.10: Đặc tính Vr-Vn của MOV hạ thế đơn khối 70kA, TOL = 10%. .............. 75
Hình 5.11: Đặc tính Vr-Vn của MOV hạ thế đơn khối 100kA, TOL = 10%. ............ 75
Hình 5.12: Mạch điện phân tích của những MOV hoạt động song song ................. 80
Hình 5.13: Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của hai MOV hạ thế 8kA ............................... 83
Hình 5.14: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL =
5% & -5%) với xung 10kA 8/20µs ............................................................................ 83
Hình 5.15: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 5% & -5%)
với xung 10kA 8/20µs ................................................................................................ 84
Hình 5.16: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL =
6%& -6%) với xung 10kA 8/20µs ............................................................................. 84

HVTH: Dương Anh Hào

xiii


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

Hình 5.17: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 6%& -6%)
với xung 10kA 8/20µs ................................................................................................ 84
Hình 5.18: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL =
7%& -7%) với xung 10kA 8/20µs ............................................................................. 85
Hình 5.19: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 7%& -7%)
với xung 10kA 8/20µs ................................................................................................ 85
Hình 5.20: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL =
8%& -8%) với xung 10kA 8/20µs ............................................................................. 85

Hình 5.21: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 8%& -8%)
với xung 10kA 8/20µs ................................................................................................ 86
Hình 5.22: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL =
9%& -9%) với xung 10kA 8/20µs ............................................................................. 86
Hình 5.23: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 9%& -9%)
với xung 10kA 8/20µs ................................................................................................ 86
Hình 5.24: Dòng và áp của mô hình MOV hạ thế sử dụng hai MOV-8kA (TOL =
10%& -10%) với xung 10kA 8/20µs ......................................................................... 87
Hình 5.25: Dòng qua MOV1 và MOV2 sử dụng hai MOV-8kA (TOL = 10%& 10%) với xung 10kA 8/20µs ...................................................................................... 87
Hình 5.26: Quan hệ giữa sai số điện áp ngưỡng và hệ số dự trữ với xung thử có
biên độ 10, 15, 20, 25, 40kA ...................................................................................... 90
Hình 5.27: Quan hệ giữa sai số điện áp ngưỡng và hệ số dự trữ với xung thử có
biên độ 70, 100kA ...................................................................................................... 91
Hình 5.28: Đặc tính Vr-Vn của MOV đa khối 10kA (2xMOV-8kA) .......................... 95
Hình 5.29: Đặc tính Vr-Vn của MOV đa khối 15kA (4xMOV-8kA) .......................... 95
Hình 5.30: Đặc tính Vr-Vn của MOV đa khối 20kA (5xMOV-8kA) .......................... 96

HVTH: Dương Anh Hào

xiv


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

Hình 5.31: Đặc tính Vr-Vn của MOV đa khối 25kA (7xMOV-8kA) .......................... 96
Hình 5.32: Đặc tính Vr-Vn của MOV đa khối 40kA (12xMOV-8kA) ........................ 97
Hình 5.33: Đặc tính Vr-Vn của MOV đa khối 70kA (23xMOV-8kA) ........................ 97
Hình 5.34: Đặc tính Vr-Vn của MOV đa khối 100kA (32xMOV-8kA) ...................... 98

HVTH: Dương Anh Hào

xv


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt
Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét. Số ngày dông có ở
Việt Nam trên toàn khu vực thuộc loại khá lớn. Trong mạng điện, quá điện áp và
quá trình quá độ do sét đánh là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cố lưới điện và
làm hư hỏng các thiết bị lắp đặt trên lưới. Nên việc đề ra các giải pháp chống sét,
lựa chọn, phối hợp các thiết bị bảo vệ phù hợp và nghiên cứu chế tạo thiết bị chống
sét đóng vai trò rất quan trọng. Hiện nay chống sét trực tiếp đã được quan tâm
tương đối với các giải pháp từ cổ điển đến hiện đại. Tuy nhiên, số liệu thống kê chỉ
ra hơn 70% hư hỏng do sét gây ra lại do sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng theo
đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu.
Bên cạnh việc nghiên cứu chống sét đánh trực tiếp, việc nghiên cứu chống sét
đánh lan truyền hay ghép cảm ứng trên đường nguồn cũng đóng một vai trò quan
trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ chống quá điện áp do sét phù hợp.
Nhìn chung, mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn nhưng lại trải trên diện
rộng và cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ nên nó lại là nguyên nhân
dẫn sét vào công trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị. Thống kê cho thấy, hậu

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

HVTH: Dương Anh Hào

Trang 1


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

Do các thiết bị chống quá áp là thiết bị phi tuyến cho nên việc đánh giá các
đáp ứng ngõ ra ứng với sóng sét lan truyền với mức chính xác cao theo phương
pháp giải tích truyền thống gặp nhiều khó khăn. Bên cạnh đó, do nước ta vẫn còn bị
hạn chế về trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phòng thí nghiệm cao áp còn
khiêm tốn nên rất khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống quá áp
do sét lan truyền tại Việt Nam. Tuy nhiên, ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật
mô hình hoá và mô phỏng đã giúp cho chúng ta hiểu biết thêm về sự tương tác giữa
các yếu tố cấu thành một hệ thống cũng như toàn bộ hệ thống, đặc biệt là rất hữu ích
cho việc mô phỏng sét.
Hiện nay, các nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống quá áp do
sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp cùng một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đã

đề ra mô hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây
dựng mô hình khác nhau. Tuy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hoá
mô phỏng và yêu cầu về mức độ chính xác, mức tương đồng cao giữa mô hình và
nguyên mẫu, các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các thiết bị chống
sét lan truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển.
Luận văn này đi sâu vào nghiên cứu mô hình các thiết bị chống quá áp do sét
trên đường nguồn hạ áp, sau đó sử dụng phần mềm mô phỏng đánh giá hiệu quả bảo
vệ của hệ thống chống quá áp. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một công cụ mô
phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học
trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá áp dưới tác động của xung
sét lan truyền và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống quá áp do sét lan
truyền.
1.2. Tổng quan về các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp
Bảo vệ hệ thống điện xoay chiều hạ áp chống lại các hiện tượng quá áp quá độ
đang là mối quan tâm chủ yếu để bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp, bảo đảm
an toàn cho các thiết bị. Hiện nay các thiết bị điện-điện tử có mức điện áp chịu xung

HVTH: Dương Anh Hào

Trang 2


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

thấp ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, phương pháp hữu hiệu
và kinh tế nhất để bảo vệ quá áp cho thiết bị chính là chọn và lắp đặt các thiết bị bảo
vệ có khả năng làm việc lâu dài và đáng tin cậy.
1.2.1. Giới thiệu

Việc sử dụng ngày càng nhiều các phần tử bán dẫn trong hệ thống điện hiện
đại đã dẫn đến sự tăng cường mối quan tâm về độ tin cậy của hệ thống. Đây là kết
quả của việc các phần tử bán dẫn rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp có thể
xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều. Việc sử dụng các phần tử bán
dẫn ban đầu cũng bị hư hỏng rất nhiều mà không thể giải thích. Nghiên cứu các hư
hỏng này cho thấy chúng bị hư hỏng là do các điều kiện quá áp khác nhau xuất hiện
trong hệ thống phân phối. Điện áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột của
năng lượng tồn tại trước đó từ các điều kiện như sét đánh, đóng cắt tải có tính cảm,
xung điện từ hay phóng điện các điện cực. Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá
độ phụ thuộc vào tần số xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng sóng của quá độ.
Quá áp trong mạch điện chính xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh viễn
hay tạm thời của các phần tử điện tử và hệ thống. Bảo vệ chống lại quá áp quá độ có
thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà sẽ giới hạn
biên độ của quá áp quá độ bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bởi việc làm chệch
hướng quá độ bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt.
Các nhà thiết kế khôn ngoan sẽ quyết định sự cần thiết của việc bảo vệ quá áp
quá độ trong giai đoạn thiết kế sớm nhất. Nếu không phải tốn nhiều thời gian để
thấy thật cần thiết phải trang bị các bộ bảo vệ quá áp quá độ cho các thiết bị hiện
hữu. Điều này sẽ tốn nhiều tiền do phải tạm ngưng hoạt động của các máy móc của
khách hàng và phải chịu tổn thất kinh doanh tiềm tàng khi ngừng hoạt động. Không
kể đến trong một số hệ thống việc trang bị thêm các bộ bảo vệ quá áp sẽ làm hệ
thống trở nên mất ngăn nắp bởi vì không gian yêu cầu cho chúng không có trong
thiết kế ban đầu. Các thiết bị được chọn bảo vệ hệ thống phải có khả năng làm tiêu

HVTH: Dương Anh Hào

Trang 3


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

tán năng lượng xung của quá độ vì thế hệ thống đang được bảo vệ sẽ không còn bị
ảnh hưởng.
1.2.2. Hiện tượng quá độ
Vấn đề căn bản chính là sự xuất hiện các xung quá áp trên điện áp bình thường
của hệ thống. Quá áp trong hệ thống điện đôi lúc có thể giải thích và đôi khi lại thật
khó giải thích; chúng là một dạng nhiễu loạn, sự tăng lên, sự sụt xuống, sự cắt điện
hay là sự kết hợp các yếu tố trên và đây là các khái niệm tổng quát hóa về hiện
tượng quá độ. Một kết quả phổ biến khi hiện tượng quá áp này xuất hiện là sự hư
hỏng nhanh chóng của các phần tử bán dẫn và các phần tử nhạy cảm khác. Một ảnh
hưởng nghiêm trọng khác là sự mất khả năng điều khiển hệ thống logic, khi đó hệ
thống có thể hiểu các xung quá độ là tín hiệu điều khiển và cố gắng thực hiện theo.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định nguyên nhân của xung quá
độ trong hệ thống điện, và kết quả thu được có thể cho là do một trong những
nguyên nhân sau:
 Sét.
 Đóng, cắt các tiếp điểm ở trạng thái mang tải.
 Sự lan truyền xung thông qua các máy biến áp.
 Sự thay đổi tải trong các hệ thống gần kề.
 Sự dao động và các xung công suất.
 Ngắn mạch hay nổ cầu chì.
Hệ thống điện gồm một mạng lớn các đường dây truyền tải, phân phối nối với
nhau và thường bị nhiễu bởi các quá độ bắt nguồn từ một trong các nguồn đã đề cập
ở trên.
Quá độ do sét có thể tạo ra một dòng điện rất cao trong hệ thống. Các tia sét
này thường đánh vào các dây truyền tải sơ cấp, nhưng có thể truyền qua các dây thứ
cấp thông qua các điện cảm hay tụ điện mắc trong mạch. Đôi khi các tia sét đánh

HVTH: Dương Anh Hào

Trang 4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

trực tiếp vào hệ thống bảo vệ chống sét hay các cấu trúc kim loại của các tòa nhà
cũng gây nên hiện tượng quá áp trên hệ thống điện trong tòa nhà do việc lan truyền
của xung sét. Thậm chí khi tia sét không đánh trúng đường dây cũng có thể cảm
ứng một điện áp đáng kể trên đường dây sơ cấp, các chống sét van hoạt động và
sinh ra quá độ.
Quá độ do đóng cắt ít nguy hiểm hơn nhưng xảy ra thường xuyên hơn. Đóng
cắt lưới điện có thể gây ra quá độ làm hư hỏng các thiết bị đấu nối trên lưới. Việc sử
dụng các Thyristor trong mạch đóng cắt hay điều khiển công suất cũng có thể tạo ra
quá độ như vậy.
Nghiên cứu và thực nghiệm đã cho thấy trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều
công nghiệp hay dân dụng, biên độ của quá độ tương ứng với tỷ lệ xuất hiện của nó,
ví dụ như biên độ quá độ nhỏ thì xuất hiện thường hơn. Tổ chức IEEE và ANSI, đã
thiết lập một tài liệu cung cấp các nguyên tắc chủ yếu về các điều kiện quá độ có thể
bắt gặp trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều. Tài liệu này được gọi là tiêu chuẩn
IEEE/ANSI C62.41 được phát triển năm 1980. Từ sự bắt đầu này, nhiều kiến thức
chính xác hơn đã được cập nhật và tạo thành một tiêu chuẩn có giá trị hơn.
1.2.3. Tỷ lệ xuất hiện của hiện tượng quá độ
Tỷ lệ xuất hiện của các xung quá độ khác nhau rất nhiều và phụ thuộc vào
từng hệ thống. Tỷ lệ này liên quan với biên độ của các xung, và xung có biên độ
nhỏ thì xuất hiện nhiều hơn xung biên độ cao. Theo số liệu thống kê được, xung
1kV hay nhỏ hơn thì tương đối phổ biến, trong khi xung 3kV thì hiếm hơn. Hình 1.1

đã minh họa các dữ liệu thu thập được về số lần xuất hiện của các xung quá độ cùng
với giá trị đỉnh của nó từ các nghiên cứu đã thực hiện. Số lần xuất hiện của các
xung quá độ được mô tả bởi các đường giới hạn thấp, trung bình và cao: “low
exposure”, “medium exposure” và “high exposure”.

HVTH: Dương Anh Hào

Trang 5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

Hình 1.1. Tỷ lệ xuất hiện của xung theo biên độ điện áp tại
các khu vực không được bảo vệ.

Vùng xuất hiện thấp (low exposure) là vùng có rất ít xung sét hoạt động và số
lần đóng cắt tải trong hệ thống điện xoay chiều cũng rất ít. Vùng xuất hiện trung
bình (medium exposure) là vùng xung sét hoạt động cao hơn và quá độ do đóng cắt
xảy ra thường xuyên, nguy hiểm hơn. Khi thiết kế mang tính tổng thể, thiết thực,
lâu dài, ít nhất phải thiết kế thiết bị trong điều kiện như được đặt trong vùng xuất
hiện xung quá độ trung bình. Vùng xuất hiện cao (high exposure) rất hiếm xảy ra
nhưng trên thực tế vẫn xuất hiện đối với hệ thống được cung cấp bởi các đường dây
truyền tải dài trên không và còn tùy thuộc vào sự phản xạ tại cuối đường dây,
trường hợp này mức phóng điện của các khe hở thì cao.
Quá độ do phóng điện trong hệ thống điện xoay chiều hạ áp sẽ sinh ra một
năng lượng cao, xung trở kháng thấp. Cách xa nguồn quá độ, tại vị trí thiết bị bảo vệ
được đặt, năng lượng quá độ sẽ giải phóng qua trở kháng của dây dẫn và nhiều thiết
bị sẽ được bảo vệ hơn. Vì thế, cho phép nhiều bộ bảo vệ quá áp kích cỡ khác nhau

được sử dụng tại các vị trí khác nhau trong hệ thống.
1.2.4. Hiện tượng quá độ tiêu biểu
Bảng 1.1 trình bày điện áp và dòng điện xung được cho là điển hình của quá
độ trong hệ thống xoay chiều hạ áp trong nhà. Khi quyết định chọn loại thiết bị như
là bộ bảo vệ quá áp quá độ, bảng này chính là tài liệu tham khảo. Ít nhất là thiết bị

HVTH: Dương Anh Hào

Trang 6


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Quyền Huy Ánh

bảo vệ phải đáp ứng điều kiện trong mục A, còn tốt nhất là thiết bị phải vượt qua
được các quá độ xuất hiện trong mục B.
Bảng 1.1. Điện áp và dòng điện của quá độ điển hình trong nhà.

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

Hình 1.2. Dạng sóng 0.5  s_100kHz (áp mạch hở).

a. Dạng sóng mạch hở.
b. Dạng sóng dòng phóng điện.

Hình 1.3. Dạng sóng gián tiếp (phía ngoài).

HVTH: Dương Anh Hào

Trang 7