Đánh giá khoảng cách bảo vệ có hiệu quả từ thiết bị bảo vệ chống sét hạ thế đến thiết bị
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.62 MB, 153 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------
PHAN THIỆN ÂN
ĐÁNH GIÁ KHOẢNG CÁCH BẢO VỆ CÓ HIỆU
QUẢ TỪ THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT
HẠ ÁP ĐẾN THIẾT BỊ
Chuyên ngành: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, 06 - 2008
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH
_____________________
CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
_______________________
Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2008
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: . . . .Phan Thiện Ân. . . . . . . . . . . . . . . . .
Phái : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : . . . . . .24/04/1981. . . . . . . . . .
Nơi sinh : Vĩnh Long
Chuyên ngành : . . . Thiết bị mạng và nhà máy điện . . . . . . . . MSHV: 01806735
I- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐÁNH GIÁ KHOẢNG CÁCH BẢO VỆ CÓ HIỆU QUẢ TỪ THIẾT BỊ
BẢO VỆ CHỐNG SÉT HẠ THẾ ĐẾN THIẾT BỊ
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm hiểu thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp.
Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến trở oxide kim loại. Xây dựng mơ
hình biến trở oxide kim loại
Tìm hiểu các tiêu chuẩn chống sét và xây dựng mơ hình nguồn phát xung hỗn hợp.
Lập mơ hình mơ phỏng xung sét hỗn hợp 1,2/50μs – 10kV và 8/20μs – 5kA
Lập và mô phỏng mô hình chống sét lan truyền ứng với các loại chiều dài và các loại
tải khác nhau. Đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách bảo vệ sao cho có hiệu quả từ thiết bị
chống sét hạ áp đến thiết bị.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
09-2007.
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :
06-2008.
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS. Quyền Huy Ánh.
Nội dung và đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
PGS. TS. QUYỀN HUY ÁNH
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua.
TRƯỞNG PHỊNG ĐT - SĐH
Ngày
tháng
năm 2008
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH
MỤC LỤC
Trang
Lời cảm tạ............................................................................................................... VI
Lời cam đoan. .......................................................................................................VII
Tóm tắt đề tài ......................................................................................................VIII
Một số từ viết tắt ................................................................................................... IX
Phần 1 Mở đầu.
I. Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1
II. Nhiệm vụ của Luận văn....................................................................................... 3
III. Phạm vi nghiên cứu............................................................................................ 3
IV. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 3
V. Các bước tiến hành.............................................................................................. 4
VI. Điểm mới của Luận văn..................................................................................... 4
VII. Giá trị thực tiễn của đề tài ................................................................................ 4
VIII. Nội dung Luận văn.......................................................................................... 5
Phần 2 Nội Dung.
Chương 1 Tổng quan về sét.
1.1. Định nghĩa. ....................................................................................................... 6
1.2. Sự hình thành sét. ............................................................................................. 6
1.3. Các giai đoạn phát triển của sét ........................................................................ 6
1.3.1 Giai đoạn phóng tia tiên đạo...................................................................... 6
1.3.2 Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa....................................................... 7
1.3.3 Giai đoạn phóng điện ngược...................................................................... 8
1.4. Các thơng số của sét. ........................................................................................ 8
1.4.1 Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện...................................................... 9
1.4.2 Độ dốc đầu sóng dịng điện sét.................................................................. 9
1.4.3 Cường độ hoạt động của sét .................................................................... 10
1.5. Các tác hại do sét. ........................................................................................... 10
1.5.1 Ảnh hưởng khi sét đánh trực tiếp ............................................................ 10
1.5.2 Ảnh hưởng do sự lan truyền sóng điện từ gây bởi dịng điện sét ............ 11
1.6. Các phương pháp phòng chống cơ bản ........................................................... 11
- II -
1.6.1 Chống sét đánh trực tiếp.......................................................................... 12
1.6.2 Chống sét lan truyền ................................................................................ 13
Chương 2 Tổng quan về thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp.
2.1. Giới thiệu. ....................................................................................................... 17
2.2. Hiện tượng quá độ........................................................................................... 17
2.3. Tỷ lệ xuất hiện của hiện tượng quá độ ............................................................ 19
2.4. Hiện tượng quá độ tiêu biểu. .......................................................................... 20
2.5. Bảo vệ quá độ. ................................................................................................ 21
2.6. Các thiết bị bảo vệ quá áp ............................................................................... 22
2.6.1 Bộ lọc....................................................................................................... 22
2.6.2 Máy biến áp cách ly................................................................................. 23
2.6.3 Khe hở phóng điện................................................................................... 23
2.6.4 Diode thác Silic ....................................................................................... 25
2.6.5 Biến trở oxit kim loại............................................................................... 25
2.7. So sánh các thiết bị bảo vệ quá áp phổ biến.................................................... 27
2.8. Lựa chọn các thiết bị bảo vệ quá áp ............................................................... 28
Chương 3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến trở Oxit kim loại.
3.1. Cấu tạo cơ bản ................................................................................................ 30
3.1.1 Giới thiệu ................................................................................................. 30
3.1.2 Cấu trúc vi mơ ......................................................................................... 31
3.2. Tính năng hoạt động của biến trở Oxit kim loại (MOV) ............................... 33
3.3. Đặc tính V-I..................................................................................................... 36
3.4. Sơ đồ tương đương.......................................................................................... 38
3.4.1 Trong vùng dòng điện rò thấp ................................................................ 39
3.4.2 Trong vùng hoạt động bình thường ........................................................ 39
3.4.3 Trong vùng dịng điện cao ...................................................................... 40
3.5. Thời gian đáp ứng ........................................................................................... 40
3.6. Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình................................... 42
3.6.1 Năng lượng cho phép............................................................................... 42
3.6.2 Cơng suất tiêu tán trung bình................................................................... 43
3.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................................. 44
- III -
3.8. Các đặc tính của MOV và các hư hỏng thường gặp khi quá áp xảy ra........... 45
Chương 4 Các tiêu chuẩn chống sét và xây dựng mơ hình nguồn phát xung hỗn
hợp.
4.1. Khái quát các tiêu chuẩn chống sét lan truyền................................................ 47
4.1.1 Giới thiệu ................................................................................................. 47
4.1.2 Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE .............................................................. 47
4.1.3 Bảo vệ quá áp theo IEC ........................................................................... 47
4.1.4 Các trạng thái bảo vệ quá áp ................................................................... 48
4.2. Giới thiệu sơ lược phần mềm Matlab.............................................................. 50
4.2.1 Định nghĩa ............................................................................................... 50
4.2.2 Cài đặt Matlab ......................................................................................... 51
4.3. Xây dựng mơ hình nguồn phát xung .......................................................... 54
4.3.1 Các dạng xung khơng chu kỳ chuẩn và phương trình tốn ..................... 54
4.3.2 Xây dựng mơ hình nguồn phát xung ....................................................... 56
4.3.3 Xây dựng mơ hình nguồn phát xung hỗn hợp ......................................... 60
4.3.4 Mô phỏng máy phát xung hỗn hợp bằng Matlab..................................... 62
Chương 5 Mơ hình biến trở Oxit kim loại.
5.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 66
5.2. Mơ hình điện trở phi tuyến.............................................................................. 66
5.2.1 Mơ hình tốn............................................................................................ 66
5.2.2 Cấu trúc mơ hình ..................................................................................... 67
5.3. Mơ hình MOV của Schmidt. .......................................................................... 68
5.4. Mơ hình MOV của IEEE................................................................................. 69
5.4.1 Mơ hình tốn............................................................................................ 69
5.4.2 Xác định các thơng số.............................................................................. 70
5.5. Mơ hình MOV của Matlab.............................................................................. 73
5.5.1 Mơ hình.................................................................................................... 73
5.5.2 Ngun lý làm việc của mơ hình............................................................. 74
5.6. Xây dựng mơ hình MOV hạ thế...................................................................... 75
5.6.1 Cấu trúc cơ bản của mơ hình MOV hạ thế .............................................. 75
5.6.2 Xây dựng mơ hình điện trở phi tuyến trên Matlab .................................. 77
- IV -
5.6.3 Xây dựng mơ hình MOV hạ thế trên Matlab .......................................... 78
5.6.4 Kiểm tra đáp ứng mơ hình MOV với mơ hình xung dịng 8/20µs .......... 82
Chương 6 Đánh giá khoảng cách bảo vệ có hiệu quả từ thiết bị chống sét đến
thiết bị.
6.1. Giới thiệu sơ đồ phân tích .............................................................................. 90
6.2. Các thơng số mơ hình...................................................................................... 91
6.3. Phân tích kết quả mô phỏng. .......................................................................... 92
6.3.1 Khoảng cách 1m giữa thiết bị bảo vệ quá áp và tải ...................................... 93
6.3.2 Khoảng cách 10m giữa thiết bị bảo vệ quá áp và tải .................................. 102
6.3.3 Khoảng cách 100m giữa thiết bị bảo vệ quá áp và tải ................................ 109
6.4. Đánh giá kết quả mô phỏng .......................................................................... 116
Phần 3 Kết luận. ................................................................................................ 121
Tài liệu tham khảo. ............................................................................................ 123
Phụ lục.
-V-
LỜI CẢM TẠ
Người thực hiện chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất
đến các thầy cô trong Khoa Điện trường Đại học Bách Khoa, đặc biệt
là sự hướng dẫn tận tụy của thầy Quyền Huy Ánh. Thầy đã hướng
dẫn, đào tạo, động viên cũng như tạo điều kiện cho người thực hiện
hoàn thành được đề tài.
Con xin chân thành cảm ơn Ba Mẹ đã sinh thành và nuôi dạy
các con ngày càng trưởng thành trong cuộc sống. Ba Mẹ vừa là chỗ
dựa tinh thần vững chắc vừa là tấm gương sáng cho các con phấn đấu
noi theo.
Bên cạnh đó, người thực hiện đồng cảm tạ các anh chị, bạn bè,
các đồng nghiệp trong cơ quan đã quan tâm giúp đỡ trong suốt thời
gian học tập và hoàn thành đề tài.
Xin chân thành cảm ơn.
Người thực hiện
Phan Thiện Ân
- VI -
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của
riêng tơi.
Các dữ liệu được trích từ IEEE, IEC; các dữ liệu hình ảnh
MOV hạ thế của các nhà sản xuất Siemen, ABB, AVX,
Littelfuse là trung thực.
Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
có ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào.
- VII -
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Thiệt hại do sét lan truyền đến các thiết bị trong thực tế là rất lớn vì mạng hạ
áp cung cấp trực tiếp đến các thiết bị dùng điện. Tuy nhiên, ở Việt Nam người sử
dụng chỉ quan tâm trang bị các thiết bị chống sét đánh trực tiếp mà ít hoặc chưa
quan tâm đến việc trang bị các thiết bị chống sét lan truyền.
Hiện nay, để xác định tác hại của quá áp trong hệ thống điện phân phối
chúng ta thường dựa vào các phần mềm mô phỏng để đánh giá các thiết bị chống sét
thay cho các mơ hình cụ thể với ưu điểm kết quả có độ tin cậy và chính xác cao.
Bên cạnh đó, việc đánh giá khoảng cách giữa thiết bị chống sét và thiết bị sao cho
có hiệu quả có rất ít hoặc chưa được thực hiện. Từ đó, đề tài: “Đánh giá khoảng
cách bảo vệ có hiệu quả từ thiết bị chống sét hạ áp đến thiết bị” được lựa chọn để
mô phỏng. Và đề tài này bao gồm các nội dung chính sau:
1.
Xây dựng mơ hình biến trở oxit kim loại hạ thế (MOV). Mơ hình này giúp
chúng ta hiểu rõ các thành phần cấu tạo, nguyên lý làm việc của MOV.
2.
Lập mơ hình mơ phỏng máy phát xung sét hỗn hợp, xung áp 1,2/50μs và
xung dòng 8/20μs, được thiết lập bằng chương trình Matlab.
3.
Lập mơ hình mơ phỏng bảo vệ quá áp trong hệ thống điện một pha với nguồn
phát xung mới xây dựng với các chiều dài cáp nối khác nhau, các loại tải khác nhau
(tải thuần trở, tải thuần dung, tải thuần cảm, tải hỗn hợp).
4.
Đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách cáp nối từ thiết bị chống sét đến thiết
bị. (ứng với các thiết bị điện từ chịu quá điện áp tạm thời ở mức thấp).
5.
Kết quả với chiều dài cáp nối và các loại tải khác nhau, hiệu quả bảo vệ thiết
bị cũng khác nhau. Khi khoảng cách giữa thiết bị chống sét và thiết bị sử dụng điện
gia tăng cần thiết phải lắp thêm thiết bị chống sét, hoặc lắp tại hai đầu của cáp nối.
Việc phân bố hợp lý sẽ giúp nâng cao khả năng bảo vệ của thiết bị chống sét lan
truyền, giảm thiệt hại đến mức tối thiểu do sét gây ra đối với thiết bị điện hạ áp.
- VIII -
Một số từ viết tắt:
ANSI : American National Standards Institute
: Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ.
CB
: Circuit Breaker
: Máy ngắt
CM
: Common Mode
: Trạng thái phổ biến
DM
: Differential Mode
: Trạng thái
GDT : Gas Discharge Tube
IEC
: Ống phóng khí
: International Electrotechnical Commission
: Hiệp hội kỹ thuật quốc tế.
IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers
: Học viện kỹ sư điện – điện tử.
MBA : Máy biến áp
MDB : Main Distribution Board : Tủ phân phối chính
MOV : Metal Oxit Varistor
: Biến trở Oxit kim loại
PE
: Bảo vệ nối đất.
: Protect Earth
PEN : Protect Earth - Neutral
: Bảo vệ trung tính + bảo vệ nối đất nối chung
SDB : Sub Distribution Board
: Tủ phân phối phụ
SPD : Surge Protection Device : Thiết bị bảo vệ quá áp
TGS : Trigger Spark Gap
: Khe hở phóng điện
- IX -
MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề:
Theo ước tính của các nhà chun mơn, 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 cịn có thể phá hủy những tài sản của con người như các
cơng trình xây dựng, cơng trình cung cấp năng lượng, hoạt động hàng không, các
thiết bị dùng điện, các Đài Truyền thanh – Truyền hình, các hệ thống thơng tin
liên lạc.
Hàng năm, ngành điện Việt Nam có khoảng vài ngàn sự cố, 50% trong số đó
là do sét gây ra. Đặc biệt ngày 4/6/2001, sét đánh nổ một máy cắt 220 KV của Nhà
máy Thủy điện Hịa Bình. Sự cố đã khiến lưới điện miền Bắc bị tan rã mạch, nhiều
nhà máy điện bị tách ra khỏi hệ thống.
Con đường mà sét có thể đi qua, làm thiệt hại cho tài sản của con người trên
mặt đất, có thể kể ra là:
– Sét đánh thẳng vào cơng trình.
– Sét xâm nhập qua thiết bị anten.
– Sét xâm nhập qua các đường dây treo nổi.
– Sét xâm nhập qua đường cáp đặt ngầm.
– Sét xâm nhập qua cáp nối giữa các thiết bị.
– Sét xâm nhập qua các mạch cung cấp điện
cho các thiết bị viễn thông.
– Sét xâm nhập qua hệ thống tiếp đất và các điểm đấu chung.
Có thể phân biệt 2 loại thiết bị chống sét: thiết bị chống sét trực tiếp và thiết
bị chống sét lan truyền.
Hiện nay, thiệt hại do sét lan truyền trong các thiết bị dùng điện trong thực tế
là rất lớn. Theo thống kê, hàng năm cả nước có bốn đến năm nghìn trường hợp các
thiết bị điện tử trong gia đình, doanh nghiệp bị sét tấn công, thiệt hại lên tới hàng
trăm tỉ đồng. Chủ yếu là các thiết bị có điện từ như: tivi, máy tính, tủ lạnh, điều hồ,
đầu đĩa... nên việc đề ra giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn, đường
cáp tín hiệu đóng vai trị rất quan trọng.
-1-
Tuy nhiên, chống sét lan truyền ở Việt Nam chưa được quan tâm một cách
đầy đủ, chủ yếu người sử dụng chỉ quan tâm trang bị các thiết bị chống sét đánh
trực tiếp mà ít hoặc chưa quan tâm đến việc trang bị các thiết bị chống sét lan
truyền, nếu có trang bị thì cũng chỉ có các cơ quan, doanh nghiệp lớn trang bị bởi
giá thành thiết bị còn cao, chưa thật sự quan tâm hoặc thiết bị ít phổ biến. Với lý do
này, người thực hiện lựa chọn nghiên cứu chống sét lan truyền trên đường cấp
nguồn hạ áp, đặc biệt là đánh giá khoảng cách bảo vệ có hiệu quả từ thiết bị chống
sét đến thiết bị qua phần cáp nối giữa chúng.
Một thực tế nữa là ở Việt Nam các mơ hình thử nghiệm hay máy phát xung
sét hỗn hợp 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 cịn hạn chế. Và chúng ta cần phải dựa vào các phần mềm mô phỏng để đánh
giá các phần tử của thiết bị chống sét thay cho các mơ hình cụ thể. Ngồi ra, khi mơ
phỏng bằng phần mềm kết quả có độ tin cậy và chính xác cao.
Do đó, việc mơ hình hóa và mô phỏng các thiết bị chống sét lan truyền cũng
như việc đánh giá khoảng cách giữa thiết bị chống sét và thiết bị sao cho có hiệu
quả là việc cần thiết. Việc đánh giá nêu trên theo góc nhìn chủ quan của người thực
hiện thì có rất ít hoặc chưa được thực hiện. Từ đó, người thực hiện quyết định lựa
chọn đề tài: “Đánh giá khoảng cách bảo vệ có hiệu quả từ thiết bị chống sét hạ áp
đến thiết bị”
Vì vậy, Đề tài này đi sâu vào lĩnh vực mơ phỏng, đánh giá khoảng cách bảo
vệ có hiệu quả từ thiết bị chống sét đến các thiết bị điện hạ áp. Với mong muốn tìm
ra khoảng cách lắp đặt thiết bị có hiệu quả, phát huy được hiệu quả bảo vệ của các
thiết bị chống sét lan truyền cũng như cung cấp công cụ giúp hiểu biết sâu hơn về
phương diện cấu tạo, tính năng của thiết bị chống sét lan truyền. Và tài liệu này có
thể phục vụ đánh giá các thơng tin về cấu hình bảo vệ, dòng xung đỉnh sơ cấp, dòng
lọc cực đại, dãy tần số của bộ lọc, tốc độ đáp ứng,… do các nhà sản xuất thiết bị
chống sét cung cấp.
-2-
II. Nhiệm vụ của luận văn:
1.
Tìm hiểu tổng quan về chống sét.
2.
Nghiên cứu cấu tạo và tính năng các thiết bị chống sét, các yếu tố quá áp ảnh
hưởng đến thiết bị dùng điện.
3.
Lập mơ hình mơ phỏng xung sét hỗn hợp.
4.
Lập mơ hình các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét hạ áp ứng với các
trường hợp thiết bị, khoảng cách bảo vệ khác nhau (giữa thiết bị bảo vệ chống sét
đến thiết bị).
5.
Mơ phỏng mơ hình đã lập.
6.
Đánh giá, đề xuất khoảng cách bảo vệ có hiệu quả từ thiết bị chống sét đến
thiết bị.
III. Phạm vi nghiên cứu:
1.
Tham khảo, nghiên cứu cấu tạo và tính năng thiết bị chống sét lan truyền trên
đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu. Tìm hiểu các tiêu chuẩn chống sét trong và
ngồi nước.
2.
Khảo sát, áp dụng các tính năng ứng dụng phần mềm Matlab.
3.
Xây dựng mơ hình phát xung sét hỗn hợp và các mơ hình cần mơ phỏng có
xét đến điều kiện khí hậu, hệ thống điện hạ áp ở Việt Nam. Việc xây dựng mơ hình
này khảo sát theo tiêu chuẩn thiết bị chống sét lan truyền hãng ABB bảo vệ cho các
thiết bị điện hạ áp.
4.
Mơ phỏng các mơ hình chống sét với điều kiện các tải của thiết bị khác nhau
và khoảng cách bảo vệ khác nhau.
5.
Áp dụng đối với các thiết bị điện từ, thiết bị chỉ chịu quá điện áp tạm thời ở
mức thấp (các thiết bị điện, điện tử nối vào tủ điện hạ thế chính cấp cho tịa nhà).
IV. Phương pháp nghiên cứu:
1.
Thu thập và kế thừa các tài liệu liên quan đến chống sét từ người hướng dẫn,
sách, các bài báo và Internet.
2.
Sử dụng phần mềm Matlab 7.0 để mơ phỏng các mơ hình.
3.
Xây dựng các mơ hình dựa vào các biến cơ sở của thiết bị (điện trở, điện
dung, điện cảm) và khoảng cách giữa thiết bị bảo vệ với thiết bị được bảo vệ.
-3-
4.
Đánh giá kết quả mô phỏng các trường hợp khảo sát, đề xuất áp dụng cho hệ
thống bảo vệ chống sét hạ áp.
V. Các bước tiến hành:
1.
Thu thập, chọn lọc tài liệu liên quan cần thiết.
2.
Tổng hợp và phân tích các tài liệu sau khi đã chọn lọc.
3.
Khảo sát các ứng dụng bổ trợ của phần mềm dự kiến thực hiện.
4.
Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét trong và ngoài nước.
5.
Khảo sát các dạng thiết bị chống sét lan truyền.
6.
Nghiên cứu cấu tạo, các phần tử cấu thành thiết bị chống sét lan truyền hạ áp.
7.
Lập mơ hình mơ phỏng các phần tử của thiết bị xung sét hỗn.
8.
Lập mô hình các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét.
9.
Thực hiện mơ phỏng mơ hình, lựa chọn khoảng cách thích hợp từ thiết bị
chống sét đến thiết bị được bảo vệ, tiến hành khảo sát, đánh giá kết quả.
10. Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống sét trong từng trường hợp và đề xuất.
VI. Điểm mới của Luận văn:
1.
Lập mơ hình mơ phỏng xung sét hỗn hợp, xung áp 1.2/50μs – 10kV và xung
dịng 8/20μs – 5kA.
2.
Lập mơ hình các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét ứng với các loại tải
khác nhau (tải thuần trở, tải thuần dung, tải thuần cảm, tải điện trở nối tiếp với cuộn
cảm, tải điện trở song song với điện dung).
3.
Đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách bảo vệ sao cho có hiệu quả từ thiết bị
chống sét đến thiết bị.
VII. Giá trị thực tiễn của đề tài:
Sau khi hoàn thành, đề tài đạt được các kết quả có thể ứng dụng thực tiễn
như sau:
1.
Mơ hình mơ phỏng các phần tử xung sét hỗn hợp của thiết bị chống sét, bảo
vệ cho các thiết bị dùng điện hạ thế, sẽ là công cụ hỗ trợ công tác học tập và nghiên
cứu trong lĩnh vực chống sét.
2.
Mơ hình này cịn giúp hiểu rõ sự tương tác giữa các thành phần cấu tạo thiết
bị chống sét lan truyền.
-4-
3.
Là cơ sở để đánh giá các thông tin cũng như chất lượng các thiết bị chống sét
lan truyền trên thị trường, làm tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị chống
sét lan truyền hạ áp sản xuất tại Việt Nam.
4.
Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu phục vụ cho nghiên cứu
ở cấp độ cao hơn.
5.
Khi khoảng cách giữa thiết bị chống sét và thiết bị sử dụng điện được phân
bố hợp lý sẽ giúp nâng cao khả năng bảo vệ của thiết bị chống sét lan truyền, giảm
thiệt hại đến mức tối thiểu do sét gây ra đối với thiết bị điện hạ áp.
VIII. Nội dung Luận văn:
Phần Mở Đầu
Phần Nội Dung
Chương 1 Tổng quan về sét.
Chương 2 Tổng quan về các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp.
Chương 3 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến trở Oxit kim loại.
Chương 4 Các tiêu chuẩn chống sét và xây dựng mơ hình nguồn phát xung
hỗn hợp.
Chương 5 Mơ hình biến trở Oxit kim loại.
Chương 6 Đánh giá khoảng cách bảo vệ có hiệu quả từ thiết bị chống sét đến
thiết bị.
Phần Kết Luận
-5-
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SÉT
1.1. Định nghĩa:
Sét là một dạng phóng tia lửa điện trong khơng khí với sự biến thiên của
dòng điện theo thời gian, thường dòng điện biến thiên rất lớn trong thời gian
rất ngắn.
1.2. Sự hình thành sét:
Q trình hình thành sét có thể xảy ra trong đám mây hoặc giữa các đám
mây với nhau và giữa đám mây với đất.
Hình 1.1 Sự hình thành sét từ đám mây dơng.
Có hai loại mây dơng:
– Dơng nhiệt: hình thành từ các luồng khí nóng ẩm bốc lên do sự đốt nóng
của ánh nắng mặt trời.
– Dơng front: hình thành do sự gặp nhau của những luồng khơng khí nóng
ẩm với luồng khơng khí năng.
Khi đạt được độ cao nhất định (khoảng vài km trở lên, vùng nhiệt độ âm)
luồng khơng khí ẩm này bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ thành những giọt nước li ti
hoặc thành các tinh thể băng và tạo thành các đám mây dông. Theo kết quả quan
trắc từ 80 – 90% các đám mây dơng tích điện tích âm bên dưới.
1.3. Các giai đoạn phát triển của sét:
1.3.1. Giai đoạn phóng tia tiên đạo:
Xuất phát từ đám mây dông một tia tiên đạo phát triển thành từng đợt gián
đoạn về phía mặt đất, với tốc độ trung bình khoảng 105 – 106m/s.
Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện khoảng 1013 ÷ 1014 ion/m3.
-6-
Trong đó, thời gian phát triển của tia tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình
khoảng 1μs và thời gian tạm ngưng phát triển giữa 2 đợt khoảng 30 – 90μs.
Đường đi của tia tiên đạo trong thời gian này khơng phụ thuộc vào tình trạng
mặt đất và các vật trên mặt đất. Do đó, nó gần như hướng thẳng về phía mặt đất.
Cho đến khi tia tiên đạo đạt đến độ cao định hướng thì mới bị ảnh hưởng bởi các
vùng điện tích tập trung dưới mặt đất.
1.3.2. Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa:
Điện tích của đám mây dơng và điện tích trong kênh tiên đạo tạo ra điện
trường làm cho các điện tích trái dấu tập trung trên vùng mặt đất phía dưới đám
mây dơng. Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích tập trung
sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo, nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau
thì điện tích chủ yếu tập trung 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 tòa
nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt trong mưa.... Chính các vùng điện tích tập
trung này sẽ định hướng tia tiên đạo hướng xuống khi nó đạt đến độ cao định
hướng, tia tiên đạo sẽ phát triển theo hướng có điện trường lớn nhất. Do đó, các
vùng tập trung điện tích sẽ là nơi sét đánh vào.
Đối với các vật dẫn có độ cao như các thanh kim loại của nhà cao tầng, ngọn
cây cao, cột anten viễn thơng thì từ đỉnh của nó nơi các diện tích trái dấu tập trung
nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây
dông. Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới hướng lên này tăng theo độ cao của vật
dẫn và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét vào vật dẫn đó.
Người ta lợi dụng tính chất chọn của sét để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho
các cơng trình bằng cách dùng các thanh kim loại hoặc thiết bị thu sét bằng kim loại
được nối xuống đất bằng hệ thống tản dòng tốt, đặt cao hơn cơng trình cần bảo vệ
để hướng sét đánh vào đó mà khơng phóng vào cơng trình.
Khi tia tiên đạo hướng xuống gần mặt đất hay tia tiên đạo hướng lên, thì
trong khoảng cách khí ở giữa do cường độ điện trường tăng cao gây lên ion hóa
mãnh liệt, dẫn đến sự hình thành một dịng plasma có mật độ điện tích cao hơn
nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng
trăm lần.
-7-
1.3.3. Giai đoạn phóng điện ngược:
Do điện dẫn tăng cao nên điện tích cảm ứng tràn vào dịng ngược mang điện
thế của đất làm cho cường độ điện trường đầu dịng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt
và cứ như vậy dòng plasma điện dẫn cao 1016 – 1019 ion/m3 tiếp tục phát triển
ngược lên trên theo đường dọn sẵn bởi kênh tiên đạo. Đây là sự phóng điện ngược
hay phóng điện chủ yếu.
Tốc độ phát triển của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5.107 ÷
1,5.108m/s tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của kênh tiên đạo. Khi
kênh phóng điện ngược lên tới đám mây thì số điện tích cịn lại của đám mây sẽ
theo kênh phóng điện chạy xuống đất và tạo nên dịng điện có trị số nhất định.
Kết quả cho thấy rằng: phóng điện sét thường xảy ra nhiều lần kế tiếp nhau
trung bình là 3 lần. Các lần phóng điện sau có dịng tiên đạo phát triển liên tục,
khơng phân nhánh và theo đúng quỹ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn
(2.106m/s).
Hình 1.2 Các giai đoạn phóng điện sét.
(a) – Giai đoạn phóng điện tiên đạo.
(b) – Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu.
(c) – Phóng điện chủ yếu kết thúc.
1.4. Các thông số của sét:
Khi tính tốn bảo vệ chống sét thơng số chính cần chú ý là dịng điện sét có
phạm vi giới hạn rất rộng, biên độ dịng sét có thể lên đến 200 – 300 KA. Tuy
-8-
nhiên, phần lớn trường hợp thực tế giá trị dòng sét nằm trong khoảng 10 ÷ 50 KA,
sét có dịng điện từ 100 KA trở lên rất hiếm xảy ra.
is
Ismax
0,5Ismax
ts
tds
t
Hình 1.3: Biểu đồ sự biến thiên của dòng điện sét theo thời gian.
Dịng điện sét có dạng một sóng xung. Thường trong khoảng vài micro giây
dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo thành phần đầu sóng, sau đó giảm chậm
trong khoảng 20 – 100μs tạo nên phần đi sóng.
Các thơng số chủ yếu :
Biên độ dịng sét: Ismax là giá trị lớn nhất của dòng điện sét.
Thời gian đầu sóng: tds là thời gian dịng sét tăng từ 0 đến giá trị cực đại.
Độ dốc dòng điện sét : a = dis/dt
Độ dài dòng điện sét: ts là thời gian từ đầu dòng điện sét đến khi dịng điện giảm
xuống bằng ½ giá trị biên độ lớn nhất.
1.4.1.
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.
Để đo biên độ dịng sét người ta dùng rộng rãi hệ thống điện thiết bị ghi từ.
Xác suất xuất hiện dịng sét có thể tính gần đúng theo cơng thức :
Cho vùng đồng bằng : VI = e-is/26 = 10-is/60
Cho vùng núi cao : VI = 10-is/30
1.4.2.
Độ dốc đầu sóng dịng điện sét:
Để đo độ dốc dịng điện sét người ta thường dùng một khung bằng dây dẫn
nối vào một hoa điện kế.
Xác suất xuất hiện độ dốc có thể tính theo:
Cho vùng đồng bằng : Va = e-a/15,7 = 10 -a/36
Cho vùng núi cao : Va = 10-a/18
-9-
1.4.3.
Cường độ hoạt động của sét:
Ở Nam bộ có đặc thù là mưa dông, thường xuất hiện tia sét dạng chùm, có
điện thế phổ biến khoảng vài chục ngàn Volt, cường độ hàng chục ngàn Ampere.
Đặc biệt từ tháng 5 ÷ 8 dương lịch, trung bình có khoảng 15 ÷ 20 cơn dơng/tháng.
Chưa có thống kê về thiệt hại tài sản do sét, chỉ có thống kê chưa đầy đủ thiệt hại về
người thì hằng năm khu vực Nam bộ có khơng dưới năm mươi người thiệt mạng
do sét.
Cường độ hoạt động của sét được biểu thị bằng số ngày trung bình có dơng
sét hàng năm hoặc bằng tổng số giờ trung bình có dơng sét hàng năm.
Số lần sét đánh trong một năm vào cơng trình:
N=
(W + 3hx )( L + 3hx )n
10 6
(1.1)
Trong đó :
W: chiều rộng của cơng trình
L: chiều dài của cơng trình
hx: chiều cao tính tốn của cơng trình
n: số lần sét đánh trung bình trên 1km2 trong năm xảy ra ở địa phương
Mật độ của sét là số lần sét đánh trung bình trên một đơn vị diện tích mặt đất
(1km2) trong một ngày sét.
Cường độ sét cũng như mật độ sét thay đổi theo vùng lãnh thổ.
1.5. Các tác hại do sét:
1.5.1. Ảnh hưởng khi sét đánh trực tiếp:
Do năng lượng của một cú sét lớn nên sức phá hoại của nó rất lớn khi một
cơng trình bị sét đánh trực tiếp có thể bị ảnh hưởng đến độ bền cơ khí, cơ học của
các thiết bị trong cơng trình, nó có thể phá hủy cơng trình, hư nổ thiết bị, làm tê liệt
hệ thống cấp điện... Trong đó:
Biên độ dịng sét ảnh hưởng vấn đề quá dòng trên thiết bị, gây đánh thủng thiết
bị và ảnh hưởng đến độ bền cơ khí của các thiết bị.
Xung điện áp đầu sóng của sét ảnh hưởng đến vấn đề quá điện áp trên các thiết
bị, gây hư hỏng thiết bị.
Thời gian tồn tại của xung sét thì ảnh hưởng đến độ bền của các thiết bị hay độ
bền cơ học của cơng trình.
- 10 -
Ngoài ra, khả năng cháy nổ do hồ quang sinh ra từ sét cũng phải kể đến đối với
cơng trình bị sét đánh trực tiếp.
1.5.2. Ảnh hưởng do sự lan truyền sóng điện từ gây bởi dịng điện sét:
Khi xảy ra phóng điện sét sẽ gây nên một sóng điện từ tỏa ra xung quanh với
tốc độ rất lớn, trong khơng khí tốc độ của nó tương đương gần với tốc độ ánh sáng.
Sóng điện từ truyền lan truyền vào cơng trình theo đường cấp nguồn, dây
treo nổi, đường cáp ngầm, cáp nối giữa các thiết bị; lan truyền vào dây thông tin,
thiết bị anten và xâm nhập qua hệ thống tiếp đất và các điểm đấu chung... gây quá
áp tức thời tác dụng lên các thiết bị trong công trình, gây hư hỏng thiết bị.
Các hư hỏng này, ngày càng nhiều đối với các thiết bị nhạy cảm, thiết bị điện
tử, hệ thống mạng máy tính... gây ra những thiệt hại rất lớn về tài sản (từ thiết bị
dân dụng đến thiết bị cơng nghiệp).
1.6. Các phương pháp phịng chống cơ bản:
Do tác hại của sét gây ra rất lớn nên từ lâu con người đã đặt ra vấn đề phòng
chống sét cũng như tận dụng nguồn năng lượng khổng lồ phát ra từ dòng điện sét.
Tuy nhiên, vấn đề tận dụng nguồn năng lượng này vẫn là một nguồn đề tài nghiên
cứu vơ tận, chưa tìm ra giải pháp. Ở đây, ta chỉ xét khía cạnh phịng chống tác hại
do sét đem lại.
Phương pháp chống sét có hiệu quả thường áp dụng giải pháp chống sét 6
điểm nổi tiếng:
1. Thu bắt sét tại điểm định trước bằng kim
Dynasphere.
2. Dẫn sét xuống đất an toàn bằng cáp chống
nhiễu Ericore.
3. Hệ thống nối đất có tổng trở thấp.
4. Đẳng thế các hệ thống đất bằng thiết bị TEC.
5. Chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn.
6. Chống sét lan truyền trên đường tín hiệu.
Rõ ràng, Sét đánh trực tiếp sẽ nguy hiểm rất nhiều, kể cả việc chết người. Do
đó, việc chống tác hại của sét có thể chia làm hai loại: chống sét đánh trực tiếp và
chống sét đánh gián tiếp (sét lan truyền).
- 11 -
1.6.1. Chống sét đánh trực tiếp:
Ngày nay, có rất nhiều phương pháp phịng chống sét đánh trực tiếp. Tuy
nhiên, có thể phân thành hai loại bảo vệ chính trong việc chống sét đánh trực tiếp:
– Thanh chống sét (thanh kim loại đơn giản hay
“bầu Dynasphere” thu sét với thiết bị kích).
– Đai và lưới thu sét.
Hình 1.4 Kim thu sét phóng điện sớm.
1.6.1.1. Chống sét kim:
Kim thu sét hoạt động bằng cách thay đổi trường điện từ chung quanh kiến
trúc cần bảo vệ. Nguyên lý hoạt động của kim thu sét sự dụng vật liệu áp điện
(piezoelectric) được thiết kế bởi Franklin France dựa trên nhiều yếu tố như sự gia
tăng điện trường tại chỗ, thời điểm kích hoạt sớm, tăng khả năng phát xạ của hiệu
ứng corona và tạo ra những điều kiện lý tưởng cho việc phát triển sự phóng điện của
corana. Trên thị trường hiện có hơn 20 nhãn hiệu thiết bị thu sét kim như: Sycom,
Alltec, Patton, Alantic, Polyphaser (Mỹ), Leader, Indelec (Pháp), Novaris,
Dynasphy (Úc)... và một số sản phẩm của Trung Quốc. Nguyên tắc hoạt động của
các sản phẩm này là chủ động phóng điện sớm về các đám mây tích điện, dẫn sét
xuống đất nhờ thiết bị tạo ion, hình cầu.
Hình 1.5 Hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng kim thu sét.
Một hệ thống chống sét dùng kim gồm:
Kim thu sét gắn trên đỉnh của một cột nâng đặt trên đỉnh cao nhất của tòa nhà
được bảo vệ.
Dây dẫn nối từ kim thu sét xuống đất.
- 12 -
Hệ thống nối đất với điện trở thấp để tản dòng điện sét vào đất.
1.6.1.2. Đai và lưới chống sét:
Hệ thống bảo vệ này bao gồm một mạng lưới kim nhỏ (30 ÷ 50cm) và các
dây dẫn dọc, ngang được nối với một số điện cực đất. Hệ thống này chỉ bảo vệ khép
kín cho một khu vực nhỏ.
1.6.2. Chống sét lan truyền:
Sóng quá điện áp có dạng sóng xung gia tăng đột ngột (do sét hay do các
thao tác đóng cắt có tải trên lưới). Dó đó, có khả năng gây hư hỏng các thiết bị,
mạng máy tính, các thiết bị trong mạng viễn thông… mà trong vấn đề vận hành rất
khó phát hiện, đặc biệt là các thiết bị điện tử rất nhạy cảm.
Hình 1.6 Dạng sóng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp (với thời gian ngắn 1ms)
Sơ bộ, qua thống kê thấy rằng khoảng 70% hư hỏng do sét gây ra là do sét
đánh lan truyền hay quá điện áp cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường tín hiệu.
Do việc chống sét lan truyền chưa được quan tâm một cách đầy đủ dẫn đến thiệt hại
do sét lan truyền gây ra rất lớn. 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.
Nhóm chống sét lan truyền cũng có hai nhóm: dùng cho đường nguồn và
dùng cho hệ thống viễn thông, truyền dữ liệu như mạng điện thoại, máy tính (PC),
thơng tin vơ tuyến...
- 13 -
Hình 1.7 Ảnh hưởng của xung quá áp làm hư thiết bị
Để chống lại sự ảnh hưởng của quá điện áp do sét lan truyền theo đường cấp
nguồn, dây thông tin hoặc truyền gián tiếp từ hệ thống nối đất và các điểm nối
chung, người ta lắp đặt các thiết bị chống sét lan truyền tại đầu vào nguồn cấp điện
hạ áp (tủ phân phối chính và tủ phân phối tầng) hoặc nguồn các dây dẫn tín hiệu
trước khi các đường dây này đến thiết bị.
Chống sét lan truyền có thể phân thành hai phần chính là: phần cắt và phần
lọc xung sét. Khi đó, năng lượng trong một sóng xung sét dao động có thể giảm
xuống nhờ hai lớp cắt và lọc này.
1.6.2.1. Cắt sét:
Hình 1.8 Tủ phân phối với thiết bị cắt sét trên đường cấp nguồn
- 14 -
Khi có sét xuất hiện ở vùng lân cận thì sẽ xuất hiện các xung lan truyền trên
dây dẫn. Các xung quá áp này xuất hiện trong thời gian cực ngắn (khoảng vài micro
giây) nhưng điện thế có thể tăng lên vài ngàn vôn, các Aptomat điện không đủ thời
gian đáp ứng nên các thiết bị nhạy cảm sẽ ngay lập tức bị phá hủy. Phần cắt sét của
thiết bị chống sét lan truyền sẽ đảm bảo duy trì điện áp ở mức cho phép (theo tiêu
chuẩn) gần bằng điện áp hoạt động bình thường của thiết bị khi có sự quá áp do sét
gây ra. Do thời gian đáp ứng nhanh (≤ 1ns) nên thiết bị luôn đảm bảo thông số điện
áp luôn nhỏ hơn giới hạn điện áp tiêu chuẩn, một mức điện áp không đủ phá hủy
thiết bị trong thời gian cực ngắn.
Hình 1.9 Một số thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn và đường tín hiệu.
Ngày nay, một số thiết bị có lớp cắt sét năng lực cao làm giảm phần lớn năng
lượng của sóng xung sét, có thể cắt đa xung kết hợp với đèn Led báo tình trạng làm
việc của thiết bị.
1.6.2.2. Lọc sét:
Sau khi đi qua phần cắt sét, phần lớn năng lượng sét lan truyền đã được
chuyển xuống đất và đã cắt giảm biên độ xung sét. Điện áp dư sau khi qua lớp thứ
nhất sẽ được giảm đến giới hạn cho phép của thiết bị phía sau nhờ lớp lọc sóng
dùng biến trở. Tuy nhiên, tần số và tốc độ biến thiên dòng và áp của nguồn điện vẫn
- 15 -
