Tài liệu Xây dựng mô hình thiết bị cắt sét và thiết bị lọc sét hạ áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

NGUYỄN THỊ HỒNG LOAN

XÂY DỰNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ CẮT SÉT
VÀ THIẾT BỊ LỌC SÉT HẠ ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành : 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

NGUYỄN THỊ HỒNG LOAN

XÂY DỰNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ CẮT SÉT
VÀ THIẾT BỊ LỌC SÉT HẠ ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành : 60520202
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. QUYỀN HUY ÁNH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 01 năm 2016
Người cam đoan

Nguyễn Thị Hồng Loan


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS. Quyền Huy
Ánh, người đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp em xây dựng và hoàn thành luận
văn này.
Chân thành cảm ơn tất cả quý Thầy, quý Cô trong bộ môn Hệ thống điện
Trường Đại Học Cơng Nghệ 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.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã ủng hộ
và động viên tơi trong khoảng thời gian tơi học tập và nghiên cứu.
Khóa luận có thể cịn những thiếu sót nên mong nhận được những ý kiến đóng
góp thêm từ q thầy cơ.
Xin chân thành cảm ơn.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 01 năm 2016
Người thực hiện

Nguyễn Thị Hồng Loan


iii

TĨM TẮT
Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên
đường nguồn (TBBV) của các hãng sản xuất khác nhau với các công nghệ đa dạng.
Việc lựa chọn TBBV có hiệu quả bảo vệ cao ở mức ít tốn kém nhất, thường gặp
nhiều khó khăn vì các nhà sản xuất thường cung cấp các thông tin liên quan đến ưu
điểm về sản phẩm mà khơng đề cập đến các nhược điểm. Vì vậy, cần nhận biết và
đánh giá các tính năng kỹ thuật quan trọng và loại bỏ các thông tin không quan
trọng là yêu cầu bức thiết.
Luận văn này dựa vào thông số điện áp dư nhằm đánh giá, so sánh khả năng
bảo vệ của TBBV. Từ đó rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan
truyền trên đường nguồn hạ áp nhằm tối ưu hóa các tính năng bảo vệ và nâng cao
độ tin cậy trong quá trình vận hành.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường
nguồn hạ áp bao gồm dạng sóng xung sét, biên độ xung sét, giá trị điện áp ngưỡng
của MOV, dòng xung định mức của MOV, sai số của điện áp MOV. Trong đó, các
yếu tố quan trọng nhất cần lựa chọn cho ph hợp với cấu hình mạng điện, tính chất
tải thực tế để đảm bảo hiệu quả bảo vệ cao nhất theo yêu cầu thiết kế bao gồm giá
trị điện áp ngưỡng của MOV, dòng xung định mức của MOV, sai số điện áp của
MOV.
ự phối hợp các thiết bị bảo vệ c t sét và lọc sét c ng ảnh hưởng rất quan
trọng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp. T y vào
yêu cầu bảo vệ và mức độ quan trọng của tải cần bảo vệ, cần lựa chọn kiểu phối hợp
bảo vệ hợp lý phối hợp một hoặc nhiều tầng c t sét, sử d ng bộ lọc sét, hay kết hợp
phối hợp bảo vệ giữa c t sét và lọc sét.

iv

ABSTRACT
Currently there are many kinds of surge protective devices (SPD) on power
lines of different manufacturers with various technologies. The selection of SPD
with high protection efficiency and the lower of cost is often difficult. Because the
manufacturers often provide information related to the advantages of the product
but does not mention the downsides. Therefore, the identification and evaluation of
important technical features and neglecting unimportant information is the urgent
need.
This thesis is based on the residual voltage to evaluate and compare the
protection ability of SPD. From there, the factors affecting to surge protection on
low voltage power lines are given in order to optimize protection and improve
reliability during operation process.
Factors affecting to protection efficiency against lightning surge on low
voltage power lines include: waveform surge, lightning impulse amplitude, the
value of threshold voltage of MOV, the surge current norms of MOV, voltage
ttolerance of MOV. Among them, the most important factors, must selected to suit
the electrical network configuration and load characteristics to ensure the hightgest
protection efficiency, ensuring the design requirements. These factors include: the
value of the threshold voltage of MOV, the surge current norms of MOV, MOV
voltage ttolerance.
The combination of surge diverters and surge reduction filtesr also
affects importantly to surge protection efficiency on low voltage power lines.
Depending on the protection requirements and the importance of protected load
need to select the type of reasonable protection coordination: coordinating one or
more lightning protection devices, using surge reduction filter, or combination of
coordinated protection between surge diverters and surge reduction fil

v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................ ii
TÓM TẮT ...................................................................................................................................... iii
ABSTRACT .................................................................................................................................. iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................................... v
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................................... ix
DANH MỤC H NH .................................................................................................................... x
CHƯƠNG MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÉT VÀ THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT TRÊN
ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP ......................................................................................................... 4
1.1 CÁC THÔNG Ố CHỦ YẾU CỦA ÉT ..........................................................4
1.1.1 Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện ..........................................................4
1.1.2 Cường độ hoạt động của sét ...........................................................................5
1.2 CÁC TIÊU CHUẨN BẢO VỆ QUÁ ÁP ...........................................................6
1.2.1 Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE .....................................................................6
1.2.2 Bảo vệ quá áp theo IEC..................................................................................6
1.2.3 Hệ thống bảo vệ chống sét hạ áp....................................................................7
1.3 BIẾN TRỞ OXIT KIM LOẠI (MOV) ...............................................................8
1.3.1 Giới thiệu .......................................................................................................8
1.3.2 Cấu trúc vi mơ ..............................................................................................10
1.3.3 Tính năng hoạt động của biến trở oxit kim loại (MOV) ..............................13
1.3.4 Đặc tính V-I ................................................................................................17


vi

1.3.5 ơ đồ tương đương.......................................................................................19
1.3.6 Thời gian đáp ứng ........................................................................................22
1.3.7 Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình ...............................23
1.3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ ...............................................................................26
1.3.9 Các đặc tính của MOV và các hư hỏng thường gặp khi quá áp xảy ra........27
1.4 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỐNG ÉT ( PD) ........................................29
1.4.1 Các loại SPD ................................................................................................29
1.4.2 Các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét ..........................32
CHƯƠNG 2 : MƠ HÌNH MÁY PHÁT XUNG CHUẨN VÀ MOV HẠ THẾ ........36
2.1 CÁC DẠNG XUNG TIÊU CHUẨN ...............................................................36
2.1.1 Xung dòng ....................................................................................................36
2.1.2 Cường độ xung .............................................................................................38
2.2 MƠ HÌNH MÁY PHÁT XUNG DỊNG..........................................................39
2.2.1 Dạng phương trình dòng xung .....................................................................39
2.2.2 Xây dựng sơ đồ khối ....................................................................................42
2.2.3 Thực hiện mơ phỏng xung dịng ..................................................................43
2.3 MƠ H NH MOV HẠ THẾ ...............................................................................47
2.3.1 Cấu trúc cơ bản của mơ hình MOV hạ thế ..................................................47
2.3.2 Mơ hình MOV hạ thế trong MATLAB........................................................50
CHƯƠNG 3 : LỰA CHỌN CẤU HÌNH VÀ THƠNG SỐ THIẾT BỊ CẮT SÉT VÀ
THIẾT BỊ LỌC SÉT ...................................................................................................................55
3.1 D N NH P......................................................................................................55
3.2 MÔ TẢ HỆ THỐNG BẢO VỆ QUÁ ÁP DO ÉT LAN TRUYỀN TRÊN
ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP ...................................................................................56


vii
3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA DẠNG XUNG ÉT .......................................................57
3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BIÊN ĐỘ XUNG ÉT ..................................................60
3.5 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG XUNG ĐỊNH MỨC CỦA MOV ......................61

3.6 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP NGƯỠNG CỦA MOV .................................62
3.7 ẢNH HƯỞNG CỦA AI Ố ĐIỆN ÁP NGƯỠNG CỦA MOV ...................63
3.8 ẢNH HƯỞNG CỦA Ự PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP ...............................64
3.8.1 Phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng MOV1-MOV2 ............................................64
3.8.2 Phối hợp bảo vệ quá áp 3 tầng (MOV1-MOV2-MOV3) .............................66
3.9 ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC ÉT .....................................................67
3.9.1 Trường hợp 1 (bảo vệ bằng bộ lọc sét-SRF)................................................68
3.9.2 Trường hợp 2 (phối hợp bảo vệ c t sét kết hợp với thiết bị lọc sét) ............69
3.9.3 Trường hợp 3 (phối hợp bảo vệ 2 tầng c t sét kết hợp với thiết bị lọc sét) .71
3.10 Kết luận ............................................................................................................73
CHƯƠNG 4 KẾT LU N VÀ HƯ NG NGHIÊN CỨU PHÁT TRI N ...................74
4.1 KẾT LU N ......................................................................................................74
4.2 HƯ NG NGHIÊN CỨU PHÁT TRI N .........................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................76


viii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
- SPD: Surge Protective Device Thiết bị bảo vệ xung
- MOV: Metal Oxide Varistor

Điện trở phi tuyến sử d ng các phiến Oxide kim

loại
- R
- TBBV
nguồn

urge reduction ilter

Bộ lọc sét
Thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường


ix

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Cường độ xung sét theo loại đường dây và vị trí l p đặt .....................39
Bảng 2.2: Mối quan hệ giữa tuổi thọ của MOVvà cường độ xung sét .................39
Bảng 3.1. Giá trị điện áp ngang qua tải ứng với xung 20kA, ...............................59
dạng sóng /20µs và xung 20kA 10/350µs ..........................................................59
Bảng 3.2. Giá trị đ nh điện áp dư ngang qua tải với biên độ dòng xung khác nhau
...............................................................................................................60
Bảng 3.3. Điện áp dư ngang qua tải tương ứng với dòng xung định mức ...........61
của MOV khác nhau .............................................................................................61
Bảng 3.4. Điện áp dư ngang qua tải tương ứng với điện áp định mức của MOV 62
Bảng 3. . Giá trị điện áp dư ngang qua tải tương ứng với sai số điện áp ngưỡng
của MOV ......................................................................................................63
Bảng 3. . o sánh giá trị điện áp dư ngang qua tải ứng với các trường hợp bảo vệ
1 tầng và 2 tầng MOV ..................................................................................65
Bảng 3. . o sánh giá trị điện áp dư ngang qua tải ứng với các trường hợp

phối

hợp bảo vệ 2 tầng MOV1-MOV2 và 3 tầng MOV1-MOV2-MOV3...........67
Bảng 3. . o sánh giá trị điện áp dư ngang qua tải ứng với các trường hợp bảo vệ
3 tầng MOV1-MOV2-MOV3 và bảo vệ bằng bộ lọc R ..........................69
Bảng 3. . o sánh giá trị điện áp dư ngang qua tải ứng với các trường hợp phối
hợp bảo vệ bảo vệ c t sét và lọc sét và trưởng hợp ch bảo vệ bằng bộ lọc

sét ...............................................................................................................71
Bảng 3.10. o sánh giá trị điện áp dư ngang qua tải ứng với các trường hợp phối
hợp bảo vệ 2 tầng c t sét kết hợp với thiết bị lọc sét và trường hợp bảo vệ 1
tầng c t sét kết hợp với thiết bị lọc sét .........................................................72


x

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Đường cong xác xuất biên độ dịng sét...................................................5
Hình 1.2. Các cấp độ bảo vệ q áp dựa vào khả năng chịu quá áp của thiết bị ....7
Hình 1.3. L p đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế cho mạng điện 1 pha ....................8
Hình 1.4. L p đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế cho mạng điện 3 pha ....................8
Hình 1. . Đặc tuyến V/I của một MOV trong vùng tuyến tính ..............................9
Hình 1.6. Cấu tạo của MOV .................................................................................10
Hình 1.7. Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I....................................................11
Hình 1.8. Vi cấu trúc của Ceramic .......................................................................11
Hình 1. . ơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO ..............................13
Hình 1.10 Lưu đồ chế tạo biến trở MOV .............................................................14
Hình 1.11. Cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói .............................15
Hình 1.12. ơ đồ năng lượng tiếp giáp giữa hạt ZnO –biên –hạt ZnO ................16
Hình 1.13. Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào ...........................................17
Hình 1.14. Đặc tính V-I của MOV .......................................................................18
Hình 1.1 . Đặc tính R-V của MOV ......................................................................19
Hình 1.16. Mơ hình mạch tương đương của biến trở ...........................................20
Hình 1.1 . ơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dịng rị .........................20
Hình 1.1 . ơ đồ tương đương của biến trở trong vùng hoạt động bình thường .21
Hình 1.1 . ơ đồ tương đương của biến trở trong v ng dịng điện cao ...............22
Hình 1.20. Đáp ứng của biến trở MOV xung tốc độ cao......................................23

Hình 1.21. Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối đối với xung
dòng điện ......................................................................................................23


xi
Hình 1.22. Dạng sóng thử nghiệm 2ms ................................................................24
Hình 1.23. Số lần xung có thể chịu được của một loại MOV ..............................25
Hình 1.24 Quan hệ cơng suất tiêu tán và điện áp (=10, 30, 50) .........................26
Hình 1.2 . Đặc tính V-I của một MOV chuẩn theo nhiệt độ (vùng dòng rò) ......26
Hình 1.2 . Đặc tính V-I của một MOV chuẩn theo nhiệt độ (vùng dịng cao) ....27
Hình 1.27. Hình ảnh hiển vi của sự đánh thủng gây nóng chảy tại cạnh của điện
cực (ảnh trên) và từ đ nh của điện cực (bên dưới) .......................................28
Hình 1.28. Vị trí của một tủ bảo vệ ......................................................................29
Hình 1.29. Thiết bị c tsét, thiết bị lọc sét .............................................................30
Hình 1.30. Một số thiết bị chống sét trên đường nguồn và đường tín hiệu ..........31
Hình 1.31. Thiết bị c t lọc sét của ERICO ...........................................................32
Hình 2.1. Sét đánh vào đường dây ở vị trí cách xa cơng trình .............................36
Hình 2.3. Dạng xung

20 s .................................................................................37

Hình 2.4. ét đánh trực kiếp vào kim thu sét trên đ nh cơng trình .......................38
Hình 2. . ét đánh trực tiếp vào đường dây trên khơng lân cận cơng trình .........38
Hình 2.6. Dạng xung 10/350µs .............................................................................38
Hình 2.7. Dạng sóng xung khơng chu kỳ chuẩn ...................................................40
Hình 2.8. Dạng sóng xung gồm tổng của hai thành phần .....................................40
Hình 2. . Đường cong xác định t số b/a ..............................................................41
Hình 2.10. Đường cong xác định t số at1 .............................................................41
Hình 2.11. Đường cong xác định t số I1/I ............................................................42
Hình 2.12. ơ đồ khối tạo nguồn phát xung .........................................................42

Hình 2.13. Biểu tượng của mơ hình nguồn phát xung..........................................43
Hình 2.14. Khai báo các thông số yêu cầu ...........................................................43


xii
Hình 2.1 . ơ đồ mơ phỏng nguồn xung dịng .....................................................44
Hình 2.16. Các thơng số nguồn xung dịng ..........................................................44
Hình 2.17. Dạng sóng nguồn xung dịng

20 s biên độ 3kA .............................45

Hình 2.18. Dạng sóng nguồn xung dịng

20 s biên độ 5kA .............................45

Hình 2.19. Dạng sóng nguồn xung dịng

20 s biên độ 3kA .............................46

Hình 2.20 . Dạng sóng nguồn xung dịng

20 s biên độ 40kA ..........................46

Hình 2.21 . Dạng sóng nguồn xung dịng

20 s biên độ 70kA ..........................47

Hình 2.22. ơ đồ mạch tương đương của mơ hình MOV đề nghị........................47
Hình 2.23. Đặc tính V-I của MOV có sai số TOL 10% .......................................48
Hình 2.24. ơ đồ mơ hình điện trở phi tuyến V=f(I) của MOV ...........................49

Hình 2.24. Mơ hình MOV hạ thế ..........................................................................50
Hình 2.25 . Biểu tượng mơ hình MOV hạ thế ......................................................51
Hình 2.26. Hộp thoại khai báo biến Parameters của mơ hình MOV hạ thế .........51
Hình 2.27. Hộp thoại Initialization của mơ hình MOV hạ thế .............................53
Hình 2.28. Hộp thoại thơng số của mơ hình MOV hạ thế ....................................54
Hình 3.2. ơ đồ mạch mơ phỏng của MOV hạ thế...............................................56
Hình 3.3. Các thơng số của MOV hạ thế ..............................................................57
Hình 3.4. Các thơng số của nguồn xung dịng 8/20µs, Is= 20kA .........................58
Hình 3.5. Các thơng số của nguồn xung dịng 10/350µs, Is= 20kA .....................58
Hình 3. . Dạng điện áp ngang qua tải sử d ng MOV với dịng xung 20kA, ứng
với dạng sóng

20 s và 10 3 0 s ..............................................................59

Hình 3. . Dạng điện áp dư ngang qua tải ứng với biên độ xung dịng khác nhau
dạng sóng 8/20µs .........................................................................................60
Hình 3. . Dạng điện áp dư ngang qua tải tương ứng với MOV ...........................61


xiii
Hình 3. . Điện áp ngang qua tải tương ứng với MOV .........................................62
Hình 3.10. Điện áp dư ngang qua tải tương ứng với trường hợp MOV có sai số là
-10

và 20 ................................................................................................63

Hình 3.11. Mơ hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 2 tầng (MOV1 – MOV2) .......64
Hình 3.12. Điện áp thông qua tải trường hợp bảo vệ 1 tầng MOV và 2 tầng
MOV1-MOV2, xung dịng 20kA dạng sóng

20 s ...................................65

Hình 3.13. Mơ hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 3 tầng (MOV1 - MOV2 MOV3) .........................................................................................................66
Hình 3.14. Điện áp thơng qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng MOV1MOV2 và 3 tầng MOV1-MOV2-MOV3 với xung dòng 20kA

20 s .......67

Hình 3.1 . Mơ hình thử nghiệm bảo vệ bằng bộ lọc sét.......................................68
Hình 3.1 . Điện áp thơng qua tải trường hợp bảo vệ bằng bộ lọc và trường hợp
phối hợp bảo vệ 3 tầng MOV1-MOV2-MOV3 ...........................................69
Hình 3.1 . Mơ hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ c t sét kết hợp với thiết bị lọc
sét ...............................................................................................................70
Hình 3.1 . Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ c t sét kết hợp với
thiết bị lọc sét và ch bảo vệ bằng bộ lọc sét ................................................70
Hình 3.1 . Mơ hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ hai tầng c t sét kết hợp với thiết
bị lọc sét .......................................................................................................72
Hình 3.20. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng c t sét kết
hợp với thiết bị lọc sét và trường hợp bảo vệ 1 tầng c t sét kết hợp với thiết
bị lọc sét .......................................................................................................72


1

CHƯƠNG: MỞ ĐẦU
I.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Việt Nam nằm trong tâm dơng châu Á, là nơi có hoạt động dơng sét trung bình

thuộc loại cao trên thế giới. Thiệt hại do sét sẽ càng tăng lên khi đất nước ta thực

hiện cơng cuộc cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa do sử d ng nhiều thiết bị điện, điện tử
nhạy cảm với sét. Việc nghiên cứu tìm ra giải pháp phịng chống sét hiệu quả khơng
ch có ý nghĩa khoa học mà cịn rất cần thiết và có tính ứng d ng cao trong đời
sống.
Trong những năm gần đây, ở nước ta đã có nhiều cơng trình nghiên cứu liên
quan đến dơng sét và phịng chống sét, mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho người
dân. Dựa trên các thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét có khả năng tích hợp cơng t c
báo động, vừa c t vừa lọc xung sét làm triệt tiêu hoàn toàn các xung quá áp, quá
dòng trên đường dây cấp nguồn. 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
c ng đóng một vai trị quan trọng để lựa chọn thiết bị bảo vệ chống quá điện áp do
sét ph hợp.
Nhìn chung, mạng hạ áp khơng truyền tải công suất không lớn nhưng lại trải
trên diện rộng và cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu th nên nó lại là
nguyên nhân dẫn sét vào cơng trình, gây ngừng dịch v , 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 c 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 d ng ngày càng nhiều và rất phổ biến trong
các tịa nhà, các cơng trình ở mọi lĩnh vực như Bưu chính viễn thơng, Phát thanh,
Truyền hình, cơng nghiệp …. Các thiết bị này vốn rất nhạy cảm với điện áp và cách
điện dự trữ của chúng rất mong manh vì thế cần phải tính tốn lựa chọn, phối hợp
và kiểm tra các thiết bị bảo vệ chống quá áp một cách hiệu quả, chính xác để tránh
xảy ra hư hỏng cho các thiết bị này.


2
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 cịn bị

hạn chế về trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phịng thí nghiệm cao áp cịn
khiêm tốn nên rất khó khăn cho cơng tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống quá áp
do sét lan truyền tại Việt Nam. Tuy nhiên, ngày nay, với sự phát triển của kỹ thuật
mơ hình hố và mơ phỏng đã giúp cho chúng ta hiểu biết thêm về sự tương tác giữa
các yếu tố cấu thành một hệ thống c ng như tồn bộ hệ thống, đặc biệt là rất hữu ích
cho việc mô phỏng sét.
Luận văn này dựa vào thông số điện áp thông qua nhằm đánh giá, so sánh khả
năng bảo vệ của thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét. Từ đó, rút ra các yếu tố ảnh hưởng
đến bảo vệ chống sét nhằm tối ưu hóa các tính năng bảo vệ và nâng cao độ tin cậy
trong quá trình vận hành.
II.

MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
Theo thống kê trên 0

thiệt hại do sét là do sét lan truyền trên đường

nguồn, do đó việc chống sét lan truyền trên đường nguồn là hết sức quan trọng. Để
chống sét trên đường nguồn thường sử d ng thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét. Việc
lựa chọn và đánh giá hiệu quả bảo vệ của các thiết bị này phải thông qua kiểm
nghiệm tại các phịng thí nghiệm chun ngành. Tuy nhiên, các phịng thí nghiệm
này đòi hỏi vốn đầu tư cao nên ở Việt Nam chưa có các phịng thí nghiệm này. Tuy
nhiên, việc đánh giá hiệu quả của thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét có thể thực hiện
thơng qua kỹ thuật mơ hình hóa và mơ phỏng. Vì vậy, luận văn này đi sâu vào
nghiên cứu mơ hình hóa và mô phỏng các thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét trên
đường nguồn hạ áp để đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống quá áp trên
đường nguồn hạ áp do sét.
C thể luận văn có các nhiệm v như sau
1. Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý của thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét hạ áp.
2. Xây dựng mơ hình thiết bị c t sét.

3. Xây dựng mơ hình thiết bị lọc sét.


3
4. Mơ phỏng và đánh giá độ chính xác của mơ hình thiết bị c t sét và thiết bị
lọc sét được xây dựng thông qua so sánh giá trị điện áp cung cấp bởi nhà sản xuất
và điện áp dư mô phỏng ứng với xung sét tiêu chuẩn.
o sánh, đánh giá và rút ra kết luận.

5.

III. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu và xây dựng mơ hình thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét trên
đường nguồn hạ áp.
IV. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN
1.

Xây dựng mơ hình thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét trên đường nguồn hạ áp

trong môi trường Matlab.
2.

Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ của phương án bảo vệ

chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp.
V.

GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
1.

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

hợp và kiểm tra hiệu quả các thiết bị bảo vệ chống sét trên đường nguồn hạ trong
điều kiện thiếu phịng thí nghiệm như hiện nay.
2. Cung cấp cơng c mơ phỏng hữu ích cho những ai quan tâm đến việc
nghiên cứu đáp ứng của thiết bị chống sét, dưới tác d ng của xung xét lan truyền
trên đường nguồn hạ áp.
3.

Luận văn có thể sử d ng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và học viên

cao học ngành Kỹ thuật điện.
VI. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
Chương Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về sét và thiết bị bảo vệ chống sét trên đường nguồn hạ áp
Chương 2: Mô h nh phát xung tiêu chuẩn và mơ hình MOV hạ thế
Chương 4 Lựa chọn cấu hình và thơng số thiết bị c t sét và thiết bị lọc sét
Chương : Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ SÉT VÀ THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT
TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP
1.1 CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA SÉT
Dịng điện sét có dạng một sóng xung. Trung bình trong khoảng vài ba s,
dịng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó giảm
xuống chậm dần trong khoảng 20- 100 s tạo nên phần đi sóng.
ự lan truyền sóng điện từ tạo nên bởi dòng điện sét gây nên quá điện áp trong

hệ thống điện, do đó cần phải biết những tham số chủ yếu của nó


Biên độ dịng sét là giá trị lớn nhất của dòng điện sét. Biên độ dịng sét
thường khơng vượt q 200÷300kA.



Thời gian đầu sóng (τ1) là thời gian mà dòng sét tăng từ 0 n giỏ tr cc i
trong khong t 1ữ100às vi tia tiên đạo đầu tiên và ÷ 0 s với dịng sét lặp
lại.



Độ dài dòng điện sét (τ2) là thời gian từ đầu dòng sét đến khi dòng sét giảm
bằng 1 2 biên độ trong khoảng từ 20÷3 0 s với các dịng sét đầu tiên và
÷ 0 s với các dịng sét lặp lại.



Tốc độ tăng dịng di dt có thể đạt tới 0kA s đối với dòng sét đầu tiên và
vượt quá 200kA s với các dòng sét tiếp theo.



Tốc độ tăng áp dv dt đo được đạt tới 12kV s.

1.1.1 Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện
Dịng điện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu đến trung
tâm điện tích của đám mây dơng. Trị số dịng điện sét lớn nhất có phạm vi giới hạn

rất rộng, giới hạn trên ghi được vượt 1 0 kA, trị số này rất ít gặp trong các trường
hợp sét đánh, mà phần lớn thường gặp sét có trị sơ 30kA. Dịng điện sét có trị số từ
0 kA đến 100 kA có xảy ra nhưng ít, cịn sét có dịng điện từ 100 kA trở lên rất


5
hiếm khi xảy ra, trị số này ch d ng đế tính tốn khi thiết kế bảo vệ chống sét cho
các cơng trình rất đặc biệt có nguy cơ xảy ra cháy hoặc nổ cho các trạm phân phối
điện quan trọng.

Hình 1.1. Đường cong xác xuất biên độ dịng sét
Để đo biên độ dòng điện sét, người ta d ng rộng rãi hệ thống điện thiết bị ghi
từ.
Xác suất xuất hiện dịng điện sét (V1) có biên độ bằng hoặc lớn hơn Is có thể
tính gần đúng theo biểu thức


V ng đồng bằng V1 = 10-Is/6° hay lgV1 = -Is/60



Vùng núi cao: V1 = 10-Is/30 hay lgV1=-Is/30

1.1.2 Cường độ hoạt động của sét
Cường độ hoạt động của dông sét được thể hiện qua số ngày dông trong một
năm và mật độ sét tại khu vực.
Ngày dông là ngày quan tr c viên nghe được tiếng sấm. ố ngày dông trong
một năm được xem như trị số trung bình qua nhiều năm quan sát và đo đạc ở nơi
được quan sát.
Mật độ sét là số lần sét đánh trên một km2 bề mặt trong một năm và có thể xác

định theo biểu thức sau
Nu = (0,1 + 0.15)Td


6
Ở đây Nd là mật độ sét (lần km2.năm); Td là số ngày dông trong một năm.
1.2 CÁC TIÊU CHUẨN BẢO VỆ QUÁ ÁP
1.2.1 Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE
Theo ANSI/IEEE Std. C62.41-1

1 định nghĩa có 3 mức độ quá điện áp ở các

cơng trình dựa trên các cấp vị trí như sau
 Cấp C : là cấp vị trí của bên ngoài và đường nguồn hạ áp cấp điện cho
tịa nhà.
 Cấp B: là cấp vị trí của đường dây cáp ngầm và mạch điện nhánh ng n.
 Cấp A: là cấp vị trí của lối ra và mạch điện nhánh dài, dài hơn 10m so
với cấp B hoặc dài hơn 20m so với cấp C.
1.2.2 Bảo vệ quá áp theo IEC
Theo tiêu chuẩn IEC 230 thì điện áp cho qua là điện áp lớn nhất xuất hiện
tại điểm kết nối của thiết bị chống sét khi xảy ra hiện tượng quá áp. Điện áp cho qua
càng thấp càng tốt cho thiết bị kết nối phía sau thiết bị chống sét, có 4 mức quá độ
điện áp được định nghĩa dựa trên cấp l p đặt
 Quá điện áp loại IV dành cho thiết bị được sử d ng ở ngõ vào toà nhà
(đường nguồn hạ áp) như đồng hồ điện, thiết bị công nghiệp và thiết bị bảo vệ quá
dòng sơ cấp. Thiết bị chịu được điện áp < 000V.
 Quá điện áp loại III dành cho thiết bị ở tủ điện chính và cho trường hợp
mà ở đó độ tin cậy và tính sẵn sàng của thiết bị ph thuộc vào những yêu cầu đặc
biệt như các cơng t c ở tủ điện chính. Thiết bị này chịu được điện áp < 4000V.
 Quá điện áp loại II dành cho thiết bị điện tiêu th điện từ tủ điện chính

như thiết bị, d ng c di động và thiết bị gia đình. Ở thiết bị này thường chịu được
điện áp < 2 00V.
 Quá điện áp loại I dành cho thiết bị nối với mạch điện mà sự đo lường
được đưa vào để giới hạn quá điện áp tạm thời ở mức thấp thích hợp như mạch điện
tử. Thiết bị nhạy cảm này ch chịu được điện áp < 1 00V như Hình 1.2.


7

Hình 1.2. Các cấp độ bảo vệ quá áp dựa vào khả năng chịu quá áp của thiết bị
1.2.3 Hệ thống bảo vệ chống sét hạ áp
Để bảo vệ quá áp do sét cho các thiết bị điện-điện tử trong nhà, thực hiện l p
đặt các thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp theo các mạng khác
nhau nhằm bảo vệ một cách có hiệu quả các thiết bị điện-điện tử.
Cấu trúc hệ thống bảo vệ quá áp trong mạng hạ áp phải tuân thủ theo các yêu
cầu khác nhau, c thể t y thuộc vào


ố lượng thiết bị, loại thiết bị bảo vệ quá áp, cách bố trí l p đặt,…

 L p đặt thiết bị bảo vệ sao cho giới hạn quá áp ph hợp với mức cách
điện xung của thiết bị được bảo vệ.
 Khả năng chịu dòng ng n mạch của thiết bị bảo vệ quá áp phải lớn hơn
giá trị dòng ng n mạch có thể xuất hiện tại vị trí l p đặt.
 Khoảng cách giữa các thiết bị bảo vệ và thiết bị được bảo vệ.
Đối với mạng điện 1 pha, 3 pha hạ áp thông thường thiết bị bảo vệ quá áp
được l p đặt theo các trường hợp sau Hình 1.3 và 1.4


8

Hình 1.3. Lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế cho mạng điện 1 pha

Hình 1.4. Lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế cho mạng điện 3 pha
1.3 BIẾN TRỞ OXIT KIM LOẠI (MOV)
1.3.1 Giới thiệu
Biến trở oxit kim loại MOV (Metal Oxide Varistor) qua quá trình sử d ng lâu
dài từ khi phát minh vào khoảng năm 1

cho đến nay đã chứng tỏ là một thiết bị

bảo vệ quá áp hoàn hảo bởi khả năng ứng d ng linh hoạt và độ tin cậy cao.


9
MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, ph thuộc vào điện áp với
đặc tuyến V I đối xứng (Hình 1.5), điện trở của nó sẽ giảm khi điện áp tăng kết hợp
với dòng điện rò cực thấp trong v ng điện áp làm việc bình thường. Đặc tính v ng
đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV có tính năng khử xung q độ đột biến
hồn hảo. Trong điều kiện bình thường, biến trở là thành phần có trở kháng cao gần
như hở mạch. Khi xuất hiện xung đột biến quá áp cao, MOV sẽ nhanh chóng trở
thành đường dẫn trở kháng thấp để triệt xung đột biến. Phần lớn năng lượng xung
quá độ được hấp thu bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch được bảo vệ
tránh hư hại.

Hình 1.5. Đặc tuyến V/I của một MOV trong vùng tuyến tính
Quan hệ giữa dịng điện và điện áp của MOV:
I= KV

>1

(1.1)

Với:  là số m phi tuyến và đặc trưng cho độ dốc của đặc tuyến V I của
MOV. ố m phi tuyến  này càng lớn thì tính phi tuyến càng cao.
Khả năng tản dịng sét kết hợp với thời gian đáp ứng nhỏ hơn 2 ns của MOV
đã khiến nó trở thành một thiết bị bảo vệ quá áp gần như hoàn hảo và không thể
thiếu trong hệ thống điện.


10
1.3.2 Cấu trúc vi mô
Biến trở oxit kim loại MOV (Hình 1.6) gồm một khối Ceramic đa tinh thể, với
các tiếp xúc kim loại và dây nối. Oxit kẽm ZnO và oxit Bismuth, thành phần không
thể thiếu, thêm một lượng nhỏ Cobalt, Manganses và các oxit kim loại khác được
pha trộn với các chất ph gia bột được giữ độc quyền bởi các nhà sản xuất, và được
nén lại, sau đó nung ở nhiệt độ từ 1000÷14000C. Hỗn hợp r n oxit kẽm ZnO với
oxit Bismuth và oxit kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên Ceramic đa tinh
thể, điện trở của chất này ph thuộc vào điện áp. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng
biến trở.

Hình 1.6. Cấu tạo của MOV
Bản thân hạt oxit kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng 1 ÷100m),
trong khi oxit kim loại khác bao bên ngồi có điện trở rất cao. Ch tại các điểm oxit
kẽm gặp nhau tạo nên “vi biến trở’’, tựa như hai Diode zener đối xứng, với mức bảo
vệ khoảng 3, V. Chúng có thể m c nối tiếp hoặc song song (Hình 1.7). Việc m c
nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dịng
điện cao hơn so với các chất bán dẫn (năng lượng tiêu hao trong chất bán dẫn hầu
như ch xảy ra trên biên P-N rất mỏng, trong khi đó đối với MOV nó phân phối trên
tất cả các “vi biến trở”), MOV hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chịu được dịng

xung đột biến cao.