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

Luận văn phân tích, đánh giá hiệu quả bảo vệ quá điện áp đa tầng trên đường nguồn hạ áp qua mô phỏng. So sánh các mô hình bảo vệ phổ biến.

• Tác giả: Thái Minh Cương
• Người hướng dẫn: Pgs.ts Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Quả Bảo Vệ Quá Điện Áp Đa Tầng Trên Đường Nguồn Hạ Áp
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng của bảo vệ quá điện áp đa tầng

Bảo vệ quá điện áp đa tầng là một hệ thống bảo vệ toàn diện được thiết kế để chống lại các xung sét và quá điện áp trên đường nguồn hạ áp. Hiện tượng quá điện áp có thể xảy ra do sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp, gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho các thiết bị điện. Hệ thống bảo vệ quá áp đa tầng áp dụng chiến lược phòng chống theo nhiều lớp, mỗi lớp có chức năng cụ thể nhằm giảm thiểu biên độ xung điện áp. Việc áp dụng kỹ thuật chống sét hiệu quả không chỉ bảo vệ thiết bị điện mà còn đảm bảo an toàn cho cả hệ thống điện. Các tiêu chuẩn quốc tế như ANSI/IEEE và IEC đã quy định rõ các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống này.

1.1. Định nghĩa hiện tượng quá độ và xung sét

Hiện tượng quá độ là những thay đổi đột ngột về điện áp và dòng điện trong hệ thống điện. Xung sét là dạng xung quá độ nguy hiểm nhất, có biên độ cao, thời gian lên nhanh và năng lượng lớn. Các xung này có thể phân loại theo dạng chuẩn như 8/20µs và 10/350µs. Việc hiểu rõ đặc tính của xung quá áp là nền tảng để thiết kế hệ thống bảo vệ hiệu quả.

1.2. Vai trò của bảo vệ quá áp trong hệ thống điện hạ áp

Bảo vệ quá điện áp đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị. Các thiết bị điện tử hiện đại rất nhạy cảm với quá áp, do đó cần có hệ thống bảo vệ đa tầng. Thiết bị bảo vệ được lắp đặt ở các vị trí chiến l略để ngăn chặn xung sét lan truyền. Những thiệt hại do quá áp gây ra có thể dẫn đến tổn thất kinh tế lớn nếu không được ngăn chặn kịp thời.

II. Các thiết bị bảo vệ quá áp chính trên đường nguồn hạ áp

Hệ thống bảo vệ quá áp đa tầng bao gồm nhiều loại thiết bị chống sét khác nhau, mỗi loại có đặc tính và ưu nhược điểm riêng. Khe hở phóng điện (Spark Gap) là thiết bị cơ bản nhất, hoạt động bằng cách tạo một đường dẫn phóng điện khi có quá áp. Biến trở oxide kim loại (MOV) là thiết bị phi tuyến, có khả năng hạn chế biên độ xung sét một cách hiệu quả. Triggered Spark Gap (TSG) là phiên bản cải tiến, giúp cải thiện hiệu suất bảo vệ quá điện áp. Việc kết hợp các thiết bị bảo vệ theo từng tầng giúp tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

2.1. Khe hở phóng điện không khí Spark Gap

Khe hở phóng điện là thiết bị đơn giản, bao gồm hai cực được cách nhau một khoảng cách nhất định. Khi quá áp xuất hiện, không khí giữa hai cực bị ionize, tạo thành đường dẫn phóng điện. Spark Gap có ưu điểm là chi phí thấp và không tiêu tốn năng lượng khi không hoạt động. Tuy nhiên, nó có thời gian phản ứng chậm so với các thiết bị bảo vệ hiện đại.

2.2. Biến trở oxide kim loại MOV và Triggered Spark Gap TSG

MOV là thiết bị phi tuyến có khả năng phản ứng nhanh với quá áp. Nó hoạt động bằng cách giảm điện trở khi điện áp vượt ngưỡng, giúp hạn chế biên độ xung. TSG là sự kết hợp của Spark Gap và cơ chế kích hoạt, cho phép thời gian phản ứng nhanh hơn. Mô hình MOV và mô hình TSG đã được nghiên cứu kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu suất bảo vệ.

III. Các tiêu chuẩn quốc tế cho bảo vệ quá áp hạ áp

Các tiêu chuẩn quốc tế đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc quy định yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống bảo vệ quá điện áp. Tiêu chuẩn ANSI/IEEE được áp dụng rộng rãi ở các nước Bắc Mỹ, quy định chi tiết về hạn chế quá áp và thời gian phản ứng của các thiết bị bảo vệ. Tiêu chuẩn IEC là tiêu chuẩn quốc tế được nhiều quốc gia chấp nhận, bao gồm các yêu cầu về bảo vệ quá áp đa tầng và phối hợp bảo vệ. Các tiêu chuẩn này yêu cầu sơ đồ khảo sát mô phỏng để đánh giá hiệu quả bảo vệ của từng hệ thống. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này đảm bảo an toàn điện và độ tin cậy của hệ thống điện.

3.1. Yêu cầu của tiêu chuẩn ANSI IEEE

ANSI/IEEE yêu cầu bảo vệ quá áp phải được thiết kế dựa trên phân loại nguy hiểm sét. Tiêu chuẩn này quy định giới hạn điện áp tối đa mà các thiết bị bảo vệ phải hạn chế. Hạn chế xung điện áp phải được kiểm chứng thông qua mô phỏng với các dạng xung tiêu chuẩn như 8/20µs và 10/350µs.

3.2. Yêu cầu của tiêu chuẩn IEC

IEC nhấn mạnh phối hợp bảo vệ quá áp giữa các thiết bị chống sét tại các tầng khác nhau. Tiêu chuẩn này yêu cầu mô phỏng hệ thống toàn bộ để đánh giá hiệu quả bảo vệ. Bảo vệ đa tầng theo IEC bao gồm thiết bị cắt sét, thiết bị lọc sét, và các thiết bị bảo vệ ở các mức khác nhau.

IV. Đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp thông qua mô phỏng

Mô phỏng bảo vệ quá điện áp sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK là phương pháp hiệu quả để đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ khác nhau. Mô hình Spark Gap, mô hình MOV, và mô hình TSG được xây dựng trong MATLAB để khảo sát mô phỏng hành vi của chúng. Hệ thống bảo vệ 3 tầng kết hợp Spark Gap/Triggered Spark Gap/MOV thường cho hiệu quả bảo vệ cao nhất. Hệ thống bảo vệ 2 tầng cũng có thể đạt hiệu quả tốt nếu được phối hợp đúng cách. Việc thực hiện mô phỏng với dòng xung sét 8/20µs và 10/350µs giúp xác định độ hạn chế quá áp thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy bảo vệ đa tầng là giải pháp tối ưu để chống sét lan truyền và bảo vệ thiết bị điện.

4.1. Xây dựng và mô phỏng mô hình bảo vệ 3 tầng

Hệ thống bảo vệ 3 tầng bao gồm Spark Gap ở tầng 1, Triggered Spark Gap ở tầng 2, và MOV ở tầng 3. Sơ đồ khảo sát này cho phép xung sét được hạn chế ở mỗi tầng liên tiếp. Mô phỏng MATLAB với dòng xung 10/350µs cho thấy điện áp bảo vệ giảm đáng kể sau mỗi tầng. Hiệu quả bảo vệ của hệ thống 3 tầng có thể đạt 70-85% tùy theo thiết kế chi tiết.

4.2. So sánh hiệu quả giữa các mô hình hệ thống khác nhau

Khảo sát mô phỏng cho thấy hệ thống 2 tầng MOV/MOV có thời gian phản ứng nhanh nhưng điện áp bảo vệ cao hơn so với 3 tầng. Hệ thống 3 tầng (SG/TSG/MOV) hạn chế quá áp tốt nhất. Dòng xung 8/20µs được bảo vệ hiệu quả bởi MOV ở tầng 3, trong khi dòng xung 10/350µs cần Spark Gap ở tầng 1 để xử lý năng lượng lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ VÀ CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ QUÁ ÁP TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP Theo ước tính của các nhà chuyên môn, trên khắp mặt địa cầu, cứ mỗi giây, có khoảng 100 lần sét đánh xuống mặt đất. Sét không những có thể gây thương vong cho con người mà còn có thể phá hủy những tài sản của con người như các công trình xây dựng, công trình cung cấp năng lượng, hoạt động hàng không, các thiết bị dùng điện, các Đài truyền thanh–truyền hình, các hệ thống thông tin liên lạc. Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét. Số ngày dông có ở Việt Nam trên nhiều khu vực thuộc loại khá lớn.

Số ngày dông cực đại là 113,7 (tại Đồng Phú), số giờ dông cực đại là 433,18 giờ tại Mộc Hóa. Sét có cường độ mạnh ghi nhận được bằng dao động ký tự động có biên độ Imax = 90,67kA (Số liệu của Viện Nghiên Cứu Sét Gia Sàng Thái Nguyên). Hiện nay, chống sét trực tiếp đã được tương đối với các giải pháp từ cổ điển (kim Franklin, lồng Faraday, kết hợp kim lồng) đến hiện đại (kim thu sét phóng điện sớm – hệ thống SYSTEM 3000 của hãng Erico Ligthning Technologies). Tuy nhiên, theo thống kê hơn 70% hư hỏng do sét gây ra lại do sét đánh lan truyền cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu.

Do việc chống sét lan truyền chưa được quan tâm một cách đầy đủ nên thiệt hại do sét lan truyền gây ra rất lớn do thiết bị bị phá hỏng hay ngừng dịch vụ. Vì vậy, việc đề ra các giải pháp và cung cấp các thiết bị chống sét lan truyền theo công nghệ mới là cấp bách và cần thiết. Bảo vệ hệ thống điện xoay chiều hạ áp chống lại các hiện tượng quá áp quá độ đang là mối quan tâm để bảo đảm chất lượng điện năng cung cấp, bảo đảm an toàn cho các thiết bị. Hiện nay các thiết bị điện - điện tử có mức điện áp chịu xung Trang 5 Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp thấp ngày càng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, phương pháp hữu hiệu và kinh tế nhất để bảo vệ quá áp cho thiết bị này chính là chọn và lắp đặt các thiết bị bảo vệ hạ áp có khả năng làm việc lâu dài và vận hành với độ tin cậy cao.

Một thực tế nữa là ở Việt Nam các mô hình thử nghiệm hay máy phát xung sét chưa có hoặc đã có nhưng được giữ bản quyền bởi các hãng sản xuất thiết bị chống sét nước ngoài nên việc đánh giá các thiết bị chống sét lan truyền nói riêng còn hạn chế. Do đó, cần phải dựa vào các phần mềm mô phỏng để đánh giá các phần tử của thiết bị chống sét thay cho các mô hình cụ thể. Ngoài ra, khi mô phỏng bằng phần mềm kết quả có độ tin cậy và chính xác cao.1 Giới thiệu Ngày nay, với sự tham gia của nhiều phần tử bán dẫn đã dẫn đến sự quan tâm về độ tin cậy của hệ thống điện, các phần tử bán dẫn này rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp, tản mạng có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều. Việc sử dụng các phần tử bán dẫn ban đầu cũng bị hư hỏng rất nhiều mà không thể giải thích, qua khảo sát các hư hỏng cho thấy chúng bị hư hỏng là do các điều kiện quá áp khác nhau xuất hiện trong hệ thống điện phân phối.

Quá áp trong mạch điện xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh cửu hay tạm thời các phần tử điện tử và hệ thống, bảo vệ chống lại quá áp quá độ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được thiết kế đặc biệt mà sẽ giới hạn biên độ của quá áp quá độ bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bởi việc làm chệch hướng quá độ bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt. Các thiết bị được chọn để bảo vệ hệ thống phải có khả năng làm tiêu tán năng lượng xung của quá độ, vì thế hệ thống điện sẽ không còn bị ảnh hưởng. Trang 6 Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp Hình 1.1 Dạng sóng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp (với thời gian ngắn là 1ms) Một trong các thông số cần quan tâm khi thiết kế và lựa chọn thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn và đường tín hiệu là tần suất xuất hiện sét, dạng sóng và xung sét lan truyền.2 Hiện tượng quá độ Sự xuất hiện các xung quá áp trên điện áp bình thường của hệ thống là một dạng nhiễu loạn, sự tăng giảm biên độ diễn ra trong thời gian tức thời, việc thao tác cắt điện hay là sự kết hợp các yếu tố trên là các khái niệm tổng quát hóa về hiện tượng quá độ. Thông thường kết quả của hiện tượng quá điện áp này gây nên hư hỏng nhanh chóng các phần tử bán dẫn và các phần tử nhạy cảm khác, nghiêm trọng hơn là sự mất khả năng điều khiển hệ thống logic; khi đó hệ thống có thể hiểu các xung quá độ là tín hiệu điều khiển và cố gắng thực hiện theo.

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định nguyên nhân của xung quá độ trong hệ thống điện, và kết quả thu được có thể là do một trong những nguyên nhân sau:  Sét.  Đóng, cắt các tiếp điểm ở trạng thái mang tải.  Sự lan truyền xung thông qua các máy biến áp.  Sự thay đổi tải trong các hệ thống gần kề.

 Sự dao động và các xung công suất.  Ngắn mạch hay nổ cầu chì. Trang 7 Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp Hệ thống điện bao gồm một mạng lớn các đường dây truyền tải, phân phối liên kết với nhau và thường bị nhiễu bởi các quá độ bắt nguồn từ một trong các nguyên nhân đã đề cập ở trên. Xung quá độ do sét sinh ra có thể tạo ra một dòng điện rất cao trong hệ thống, các tia sét này thường đánh vào các dây truyền tải sơ cấp, nhưng có thể truyền qua các dây thứ cấp thông qua các điện cảm hay tụ điện mắc trong mạch, đôi khi các tia sét đánh trực tiếp vào hệ thống bảo vệ chống sét hay các cấu trúc kim loại của các tòa nhà cũng gây nên hiện tượng quá áp trên hệ thống điện trong tòa nhà do việc lan truyền của xung sét.

Thậm chí khi tia sét không đánh trúng đường dây cũng có thể cảm ứng một điện áp đáng kể trên đường dây sơ cấp, các chống sét van hoạt động và sinh ra quá độ. Xung quá độ sinh ra do đóng cắt thiết bị ít nguy hiểm, nhưng xảy ra thường xuyên hơn, có thể gây ra quá độ làm hư hỏng các thiết bị đấu nối trên lưới. Việc sử dụng các thyristor trong mạch đóng cắt hay điều khiển công suất cũng có thể tạo ra quá độ như vậy. Nghiên cứu và thực nghiệm đã cho thấy trong hệ thống điện hạ áp xoay chiều công nghiệp hay dân dụng, biên độ của quá độ tương ứng với tỷ lệ xuất hiện của nó (ví dụ như biên độ quá độ nhỏ thì xuất hiện thường hơn).

Tỷ lệ xuất hiện của các xung quá độ khác nhau rất nhiều và phụ thuộc vào từng hệ thống, theo số liệu thống kê xung 1kV hay nhỏ hơn thì xảy ra tương đối phổ biến trong khi xung 3kV thì hiếm hơn. Mối quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ dòng sét được trình bày ở Hình 1. Giá trị đỉnh dòng sét kA Hình 1.2 Quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ Trang 8 Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp - Khoảng 40% cơn sét có dòng sét lớn hơn 20kA. - Khoảng 5% cơn sét có dòng sét lớn hơn 60kA (hoặc 95% cơn sét có dòng sét dưới 60kA).

- Khoảng 0,1% cơn sét có dòng sét lớn hơn 200kA. (Dữ liệu được thống kê trên 5,4 triệu lần sét đánh từ năm 1995 – 2005 của Meteorage.) Dạng xung sét phụ thuộc vào cách thức sét tác động vào đường dây tải điện hay đường tín hiệu.3 Các dạng xung quá độ điển hình 1.1 Các dạng xung quá độ 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, là tài liệu thao khảo cho việc lựa chọn thiết bị bảo vệ quá độ.1: Ñieän aùp vaø doøng ñieän cuûa quaù ñoä ñieån hình trong nhaø. Nghiên cứu 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. 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.

Trang 9 Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp Hình 1.3: Daïng soùng Hình 1.4: Daïng soùng xung 0.1 Dạng sóng 10/350µs Dạng sóng 10/350µs thường là xung sét lan truyền do sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không lân cận công trình hoặc đánh trực tiếp vào kim thu sét trên đỉnh công trình. Sét đánh trực tiếp vào kim thu Hình 1. Sét đánh trực tiếp vào đường dây sét trên đỉnh công trình trên không lân cận công trình Hình 1. Dạng sóng 10/350µs Trang 10 Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp 1.2 Dạng sóng 8/20µs Dạng sóng 8/20µs thường là xung sét cảm ứng do sét đánh vào đường dây trên không cách công trình một khoảng cách xa hoặc do sét đánh vào một vật gần đường dây trên không hoặc do sự gia tăng điện thế đất do sét đánh vào vị trí gần công trình Hình 1.

Sét đánh vào đường dây trên không ở vị trí cách xa công trình Hình 1. Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình Dạng sóng 8/20µs được biểu diễn trong Hình 1.8: Daïng soùng xung aùp 8/20  s Trang 11 Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp 1.