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

Luận văn thạc sĩ HCMUTE phân tích hiệu quả bảo vệ quá điện áp đa tầng trên đường nguồn hạ áp, cung cấp giải pháp tối ưu cho hệ thống điện.

• 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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• 1. CHƯƠNG MỞ ĐẦU
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG QUÁ ĐỘ VÀ CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ QUÁ ÁP TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP
• 2.1. Hiện tượng quá độ
• 2.2. Các dạng xung quá độ điển hình
• 2.3. Các dạng xung quá độ
• 2.4. Biên độ xung sét
• 2.5. Công nghệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp
• 2.6. Khe hở phóng điện
• 2.7. Diod thác Silic
• 2.8. Biến trở oxid kim loại
• 2.9. Các thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp
• 2.10. Thiết bị cắt sét
• 2.11. Thiết bị lọc sét
• 2.12. Các tiêu chuẩn trong bảo vệ quá áp
• 2.13. Bảo vệ quá áp theo ANSI /IEEE
• 2.14. Bảo vệ quá áp theo IEC
• 2.15. Hệ thống bảo vệ chống sét hạ áp
• 2.16. Lựa chọn các thiết bị bảo vệ quá áp
• 3. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG
• 3.1. Giới thiệu phần mềm MATLAB
• 3.2. Cơ sở về SIMULINK
• 3.3. Các khối (Block) sử dụng trong mô hình
• 3.4. Giới thiệu công cụ Curve Fitting Toolbox
• 3.5. Các dạng xung không chu kỳ chuẩn
• 3.6. Dạng tổng quát
• 3.7. Xây dựng quan hệ giữa các thông số trong mô hình
• 3.8. Xây dựng máy phát xung tiêu chuẩn
• 3.9. Xây dựng sơ đồ khối
• 3.10. Thực hiện mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ XUNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP
• 4.1. Phần A: Xây dựng và mô phỏng mô hình khe hở phóng điện không khí
• 4.1.1. Một số phương pháp tính toán xây dựng mô hình
• 4.1.2. Các mô hình khe hở phóng điện
• 4.1.3. Các phương pháp đầu tiên
• 4.1.4. Quá trình nghiên cứu phát triển mô hình khe hở phóng điện
• 4.1.5. Xây dựng mô hình đơn giản của khe hở phóng điện không khí Spark Gap
• 4.1.6. Mô hình Spark Gap đơn giản
• 4.1.7. Xây dựng sơ đồ khối mô hình Spark Gap
• 4.1.8. Mô phỏng mô hình Spark Gap
• 4.1.9. Xây dựng mô hình Triggered Spark Gap
• 4.1.10. Xây dựng mô hình dựa trên cơ sở mô hình Spark Gap
• 4.1.11. Mô phỏng mô hình TSG
• 4.2. Phần B: Xây dựng mô hình biến trở oxide kim loại (MOV)
• 4.2.1. Các dạng mô hình MOV đã được nghiên cứu
• 4.2.2. Mô hình điện trở phi tuyến
• 4.2.3. Mô hình điện trở phi tuyến kết hợp điện cảm phi tuyến
• 4.2.4. Mô hình MOV của IEEE
• 4.2.5. Mô hình MOV của Mardira
• 4.2.6. Các Mô hình MOV đã được xây dựng
• 4.2.7. Mô hình Matlab
• 4.2.8. Mô hình MOV của IEEE
• 4.2.9. Mô hình MOV hạ thế
• 4.2.10. Cấu trúc cơ bản của mô hình MOV hạ thế
• 4.2.11. Mô hình điện trở phi tuyến trên Matlab
• 4.2.12. Mô hình MOV hạ thế trên Matlab
• 4.2.13. Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với mô hình xung dòng 8/20µs
• 4.3. Phần C: Khảo sát sự phối hợp bảo vệ quá điện áp của các mô hình trên đường nguồn hạ áp
• 4.3.1. Sơ đồ khảo sát mô phỏng hệ thống bảo vệ quá điện áp nhiều tầng
• 4.3.2. Hệ thống bảo vệ quá điện áp 3 tầng (sử dụng Spark Gap /Triggered Spark Gap)
• 4.3.3. Hệ thống bảo vệ quá điện áp 2 tầng (sử dụng Triggered Spark Gap /Triggered Spark Gap)
• 4.3.4. Hệ thống bảo vệ quá điện áp 2 tầng sử dụng chống sét MOV
• 4.3.5. So sánh hiệu quả bảo vệ quá điện áp cho các mô hình hệ thống
• 4.3.6. Thực hiện mô phỏng với dòng xung sét 10/350µs
• 4.3.7. Khảo sát mô hình hệ thống bảo vệ quá điện áp 3 tầng (có sử dụng Spark Gap /Triggered Spark Gap)
• 4.3.8. Khảo sát mô hình hệ thống bảo vệ quá điện áp 2 tầng (có sử dụng Spark Gap /Triggered Spark Gap)
• 4.3.9. Khảo sát mô hình hệ thống bảo vệ quá điện áp 2 tầng sử dụng chống sét MOV
• 4.3.10. Thực hiện mô phỏng với dòng xung sét 8/20µs
• 4.3.11. Khảo sát mô hình hệ thống bảo vệ quá điện áp 3 tầng (SG /TSG-MOV-MOV)
• 4.3.12. Khảo sát mô hình hệ thống bảo vệ quá điện áp 2 tầng (có sử dụng Spark Gap /Triggered Spark Gap)
• 4.3.13. Khảo sát mô hình hệ thống bảo vệ quá điện áp 2 tầng sử dụng chống sét MOV
• 5. CHƯƠNG KẾT LUẬN
• PHỤ LỤC 1
• PHỤ LỤC 2
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

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

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về hiện tượng quá độ trong hệ thống điện, đặc biệt là trong mạng lưới điện hạ áp. Bảo vệ quá điện áp là một yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện. Các dạng xung quá độ điển hình như xung sét và xung điện từ có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị. Việc lựa chọn và lắp đặt các thiết bị bảo vệ như khe hở phóng điện (SG) và biến trở oxide kim loại (MOV) là cần thiết để giảm thiểu rủi ro. Các tiêu chuẩn bảo vệ quá áp như ANSI/IEEE và IEC cũng được đề cập, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tuân thủ các quy định này trong thiết kế hệ thống điện.

1.1 Hiện tượng quá độ

Hiện tượng quá độ xảy ra khi có sự thay đổi đột ngột trong dòng điện hoặc điện áp, dẫn đến sự xuất hiện của các xung điện. Các dạng xung này có thể gây ra quá điện áp trong hệ thống điện, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của thiết bị. Việc hiểu rõ về các dạng xung này giúp trong việc thiết kế các giải pháp bảo vệ hiệu quả hơn.

1.2 Các thiết bị bảo vệ quá áp

Các thiết bị bảo vệ quá áp như khe hở phóng điện và biến trở oxide kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống điện. Chúng giúp giảm thiểu điện áp quá mức và bảo vệ các thiết bị nhạy cảm khỏi hư hỏng. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp dựa trên các thông số kỹ thuật như điện áp thông qua và khả năng tản năng lượng là rất cần thiết.

II. Giới thiệu phần mềm MatLab và xây dựng mô hình nguồn phát xung

Chương này giới thiệu phần mềm MatLab, một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng và phân tích các hệ thống điện. Việc xây dựng mô hình nguồn phát xung trong MatLab cho phép người dùng thực hiện các thử nghiệm và phân tích hiệu quả của các thiết bị bảo vệ. Các khối (Block) trong Simulink được sử dụng để tạo ra các mô hình mô phỏng chính xác, giúp đánh giá hiệu quả của các giải pháp bảo vệ quá điện áp. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành thông qua phần mềm này mang lại cái nhìn sâu sắc về cách thức hoạt động của các thiết bị bảo vệ.

2.1 Giới thiệu phần mềm MatLab

MatLab là một phần mềm tính toán và mô phỏng mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Phần mềm này cho phép người dùng thực hiện các phép toán phức tạp và mô phỏng các hệ thống điện một cách hiệu quả. Việc sử dụng MatLab trong nghiên cứu giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các kết quả thu được.

2.2 Xây dựng mô hình nguồn phát xung

Mô hình nguồn phát xung được xây dựng trong MatLab giúp mô phỏng các tình huống thực tế mà hệ thống điện có thể gặp phải. Các thông số như biên độ và thời gian xung được điều chỉnh để phù hợp với các điều kiện thực tế. Việc mô phỏng này không chỉ giúp đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ mà còn cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống.

III. Xây dựng mô hình các phần tử bảo vệ xung sét trên đường nguồn hạ áp

Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình cho các phần tử bảo vệ xung sét như khe hở phóng điện và biến trở oxide kim loại. Các mô hình này được phát triển dựa trên các phương pháp tính toán hiện đại, cho phép đánh giá chính xác hiệu quả bảo vệ của từng phần tử. Việc mô phỏng các phần tử này trong MatLab giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và khả năng tương tác giữa các thiết bị trong hệ thống bảo vệ quá điện áp. Sự phối hợp giữa các phần tử bảo vệ là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

3.1 Mô hình khe hở phóng điện

Mô hình khe hở phóng điện được xây dựng để mô phỏng quá trình phóng điện trong các tình huống khác nhau. Các thông số như điện áp và dòng điện được điều chỉnh để phản ánh các điều kiện thực tế. Mô hình này giúp đánh giá khả năng bảo vệ của khe hở phóng điện trong việc ngăn chặn quá điện áp.

3.2 Mô hình biến trở oxide kim loại

Mô hình biến trở oxide kim loại (MOV) được phát triển để phân tích hiệu quả bảo vệ của thiết bị này trong hệ thống điện. Các thông số như điện áp thông qua và khả năng tản năng lượng được xem xét kỹ lưỡng. Mô hình này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức hoạt động của MOV và vai trò của nó trong việc bảo vệ hệ thống khỏi quá điện áp.

IV. Kết luận

Luận văn đã đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ quá điện áp đa tầng trên đường nguồn hạ áp. Các kết quả cho thấy rằng việc lựa chọn và phối hợp các thiết bị bảo vệ là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho hệ thống điện. Các mô hình được xây dựng trong MatLab đã cung cấp những thông tin quý giá về hiệu quả bảo vệ của từng phần tử. Từ đó, có thể đưa ra các khuyến nghị cho việc tối ưu hóa thiết kế hệ thống bảo vệ quá điện áp, nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính của các nhà chuyên môn, trên toàn cầu mỗi giây có khoảng 100 lần sét đánh xuống mặt đất, gây thiệt hại nghiêm trọng cho các công trình, thiết bị điện tử và hệ thống cung cấp năng lượng. Việt Nam, nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, có số ngày dông cao với điểm cực đại lên đến 113,7 ngày và 433,18 giờ dông tại một số địa phương, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát sinh và phát triển của dông sét. Cường độ sét mạnh nhất ghi nhận được có biên độ dòng đỉnh lên đến 90,67 kA. Trong mạng điện hạ áp, mặc dù công suất truyền tải không lớn nhưng phạm vi phân bố rộng và cung cấp điện trực tiếp cho hộ tiêu thụ, nên đây là nguyên nhân chính gây ra các sự cố do sét lan truyền cảm ứng, chiếm hơn 70% các hư hỏng do sét gây ra.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng và đánh giá hiệu quả các mô hình bảo vệ quá điện áp đa tầng trên đường nguồn hạ áp, nhằm tối ưu hóa tính năng bảo vệ và nâng cao độ tin cậy trong vận hành hệ thống điện hạ áp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền, bao gồm khe hở phóng điện (Spark Gap, Triggered Spark Gap) và biến trở oxide kim loại (MOV), với mô phỏng trên phần mềm MATLAB trong khoảng thời gian nghiên cứu đến năm 2014 tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp giải pháp bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm, giảm thiểu thiệt hại do sét lan truyền gây ra, đồng thời hỗ trợ lựa chọn phối hợp thiết bị bảo vệ phù hợp, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện hạ áp. Các chỉ số đánh giá hiệu quả bảo vệ tập trung vào điện áp thông qua, tốc độ đáp ứng, khả năng tản năng lượng sét và tuổi thọ thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật điện liên quan đến hiện tượng quá độ và bảo vệ quá áp trong hệ thống điện hạ áp. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết hiện tượng quá độ (Transient Phenomena Theory): Giải thích sự xuất hiện các xung quá áp tức thời trên hệ thống điện do sét, đóng cắt thiết bị, dao động công suất, ngắn mạch, v.v. Các dạng xung quá độ điển hình như xung 10/350 µs (xung sét lan truyền trực tiếp) và 8/20 µs (xung sét cảm ứng) được mô tả chi tiết với biên độ và tần suất xuất hiện.

2. Mô hình bảo vệ quá áp đa tầng (Multi-stage Surge Protection Model): Bao gồm các phần tử bảo vệ cấp I (Spark Gap, Triggered Spark Gap) và cấp II (MOV), phối hợp để giảm điện áp thông qua và tản năng lượng sét hiệu quả. Mô hình này dựa trên tiêu chuẩn IEC 61643-1 và ANSI/IEEE, phân loại thiết bị bảo vệ theo cấp độ và vị trí lắp đặt trong hệ thống điện.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp thông qua (let-through voltage), điện áp kích hoạt, dòng tự duy trì, tốc độ đáp ứng, khả năng tản năng lượng sét, và phối hợp bảo vệ đa tầng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn quốc tế IEC, ANSI/IEEE, báo cáo kỹ thuật và số liệu thực nghiệm từ Viện Nghiên cứu Sét Gia Sàng Thái Nguyên. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Mô hình hóa và mô phỏng: Sử dụng phần mềm MATLAB và công cụ Simulink để xây dựng mô hình máy phát xung sét tiêu chuẩn và các phần tử bảo vệ (Spark Gap, Triggered Spark Gap, MOV). Các mô hình được xây dựng dựa trên đặc tính V-I, đáp ứng xung dòng 8/20 µs và 10/350 µs.

• Phân tích so sánh: Mô phỏng các hệ thống bảo vệ quá áp đa tầng (2 tầng và 3 tầng) với các phối hợp phần tử bảo vệ khác nhau. So sánh điện áp ngõ ra, điện áp thông qua và khả năng tản năng lượng sét để đánh giá hiệu quả bảo vệ.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2014, bao gồm thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình mô phỏng kỹ thuật, không sử dụng mẫu thực nghiệm vật lý do hạn chế phòng thí nghiệm. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các dạng xung sét phổ biến và các thiết bị bảo vệ tiêu chuẩn trên thị trường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả bảo vệ của mô hình 3 tầng vượt trội so với 2 tầng: Mô hình bảo vệ quá điện áp 3 tầng (kết hợp Spark Gap/Triggered Spark Gap và MOV) giảm điện áp thông qua xuống mức thấp hơn khoảng 15-20% so với mô hình 2 tầng, giúp bảo vệ thiết bị nhạy cảm hiệu quả hơn.

2. Triggered Spark Gap (TSG) có điện áp kích hoạt thấp và điện áp dư thấp: TSG hoạt động với điện áp kích hoạt khoảng 500V, thấp hơn nhiều so với Spark Gap truyền thống (2500-3500V), giúp giảm điện áp dư và tăng tuổi thọ thiết bị bảo vệ. Tốc độ đáp ứng của TSG nhanh hơn, phù hợp với các xung sét có biên độ lớn.

3. MOV có khả năng tản năng lượng sét tốt nhưng nhạy cảm với điều kiện vận hành: MOV đáp ứng nhanh (<25ns) và có hệ số phi tuyến cao, nhưng dễ bị quá nhiệt khi xuất hiện các xung tần số công nghiệp hoặc quá áp tạm thời, dẫn đến giảm tuổi thọ hoặc hư hỏng. Việc phối hợp MOV với các phần tử bảo vệ khác giúp giảm tải cho MOV và tăng độ bền hệ thống.

4. Phối hợp bảo vệ đa tầng giúp giảm điện áp thông qua và tăng độ tin cậy: Việc kết hợp các phần tử bảo vệ cấp I và cấp II theo tiêu chuẩn IEC và ANSI/IEEE tạo ra hệ thống bảo vệ hiệu quả, giảm thiểu điện áp dư và dòng tự duy trì, đồng thời đảm bảo khả năng chịu dòng ngắn mạch lớn hơn giá trị dòng ngắn mạch tại vị trí lắp đặt.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình bảo vệ 3 tầng với sự phối hợp giữa Spark Gap hoặc Triggered Spark Gap và MOV mang lại hiệu quả bảo vệ vượt trội nhờ khả năng tản năng lượng sét lớn và điện áp thông qua thấp. Điện áp thông qua thấp giúp giảm nguy cơ hư hỏng thiết bị điện tử nhạy cảm, đặc biệt trong các hệ thống điện hạ áp có nhiều thiết bị bán dẫn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về ưu điểm của TSG trong việc giảm điện áp kích hoạt và điện áp dư, đồng thời khắc phục nhược điểm của Spark Gap truyền thống. Việc sử dụng phần mềm MATLAB và Simulink cho phép mô phỏng chính xác các đặc tính điện áp và dòng điện của các phần tử bảo vệ, hỗ trợ đánh giá hiệu quả bảo vệ trong điều kiện thiếu phòng thí nghiệm thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp ngõ ra, bảng so sánh điện áp thông qua giữa các mô hình bảo vệ 2 tầng và 3 tầng, cũng như biểu đồ đáp ứng dòng điện của các phần tử bảo vệ dưới các dạng xung 8/20 µs và 10/350 µs.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình bảo vệ quá điện áp 3 tầng trong hệ thống điện hạ áp: Khuyến nghị các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện hạ áp triển khai hệ thống bảo vệ đa tầng kết hợp Spark Gap/Triggered Spark Gap và MOV để tối ưu hóa hiệu quả bảo vệ, giảm thiểu thiệt hại do sét lan truyền trong vòng 1-2 năm tới.

2. Ưu tiên sử dụng Triggered Spark Gap thay thế Spark Gap truyền thống: Do TSG có điện áp kích hoạt thấp và điện áp dư thấp, nên các nhà sản xuất và kỹ sư thiết kế nên chuyển đổi sang công nghệ TSG nhằm nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị bảo vệ trong vòng 1 năm.

3. Kiểm soát điều kiện vận hành và lắp đặt MOV: Để tránh hiện tượng quá nhiệt và giảm tuổi thọ MOV, cần thiết lập quy trình kiểm tra chất lượng điện áp mạng, hạn chế sử dụng trong các môi trường có tải không ổn định như máy hàn, UPS, máy phát điện chất lượng thấp. Chủ thể thực hiện là các đơn vị vận hành và bảo trì hệ thống điện.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng và đào tạo kỹ thuật viên: Đề xuất các cơ sở đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật điện tăng cường sử dụng phần mềm MATLAB và Simulink để mô phỏng, đánh giá thiết bị bảo vệ, giúp nâng cao năng lực chuyên môn và hỗ trợ ra quyết định kỹ thuật trong vòng 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện hạ áp: Giúp hiểu rõ các hiện tượng quá độ và lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp nhằm giảm thiểu sự cố do sét lan truyền, nâng cao độ tin cậy hệ thống.

2. Nhà sản xuất và thiết kế thiết bị bảo vệ quá áp: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm bảo vệ đa tầng với hiệu suất cao, đáp ứng tiêu chuẩn IEC và ANSI/IEEE.

3. Sinh viên, học viên cao học ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa, mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ quá áp trong hệ thống điện hạ áp.

4. Các đơn vị quản lý và bảo trì hệ thống điện: Hỗ trợ xây dựng quy trình lựa chọn, phối hợp và kiểm tra thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền, đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần bảo vệ quá áp đa tầng trên đường nguồn hạ áp?
   Bảo vệ đa tầng giúp giảm điện áp thông qua và tản năng lượng sét hiệu quả hơn, bảo vệ thiết bị điện tử nhạy cảm khỏi hư hỏng do sét lan truyền cảm ứng, đồng thời tăng độ tin cậy và tuổi thọ hệ thống.

2. Ưu điểm của Triggered Spark Gap so với Spark Gap truyền thống là gì?
   TSG có điện áp kích hoạt thấp (~500V), điện áp dư thấp và tốc độ đáp ứng nhanh, giúp giảm thiểu điện áp dư và dòng tự duy trì cao, khắc phục nhược điểm của Spark Gap truyền thống.

3. MOV có nhược điểm gì khi sử dụng trong bảo vệ quá áp?
   MOV dễ bị quá nhiệt và giảm tuổi thọ khi xuất hiện các xung tần số công nghiệp hoặc quá áp tạm thời liên tục, đặc biệt trong các mạng điện có tải không ổn định như máy hàn hoặc UPS.

4. Phần mềm MATLAB và Simulink được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   MATLAB và Simulink được dùng để xây dựng mô hình máy phát xung sét và các phần tử bảo vệ, mô phỏng đáp ứng điện áp và dòng điện, từ đó đánh giá hiệu quả bảo vệ của các hệ thống bảo vệ đa tầng.

5. Làm thế nào để lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp cho hệ thống điện hạ áp?
   Cần căn cứ vào điện áp hiệu dụng cực đại của hệ thống, mức điện áp kẹp, khả năng tản năng lượng sét, tốc độ đáp ứng và tiêu chuẩn kỹ thuật IEC/ANSI, đồng thời phối hợp các phần tử bảo vệ đa tầng để đạt hiệu quả tối ưu.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình các phần tử bảo vệ chống sét cấp I (Spark Gap, Triggered Spark Gap) và cấp II (MOV) trên phần mềm MATLAB, Simulink.
• Mô hình bảo vệ quá điện áp 3 tầng cho hiệu quả bảo vệ vượt trội so với mô hình 2 tầng, giảm điện áp thông qua khoảng 15-20%.
• Triggered Spark Gap được đánh giá cao với điện áp kích hoạt thấp, điện áp dư thấp và tốc độ đáp ứng nhanh, phù hợp cho hệ thống điện hạ áp hiện đại.
• Việc phối hợp các phần tử bảo vệ đa tầng giúp tối ưu hóa khả năng tản năng lượng sét và nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống điện.
• Đề xuất áp dụng mô hình bảo vệ đa tầng, ưu tiên công nghệ TSG và kiểm soát điều kiện vận hành MOV trong thực tế, đồng thời phát triển kỹ năng mô phỏng cho kỹ thuật viên ngành điện.

Tiếp theo, các đơn vị nghiên cứu và vận hành nên triển khai thử nghiệm thực tế và mở rộng ứng dụng mô hình bảo vệ đa tầng trong các hệ thống điện hạ áp trên toàn quốc. Độc giả quan tâm được khuyến khích áp dụng các mô hình mô phỏng trong thiết kế và đánh giá hệ thống bảo vệ để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu 6. Lập mô hình phần tử MOV (Metal Oxide Varistor). Lập mô hình phần tử Triggered Spark Gap. Mô phỏng và đánh giá kết quả của mô hình bảo vệ quá điện áp 3 tầng và 2 tầng trên lưới hạ áp.

ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN 1. Xây dựng mô hình phần tử SG, TSG, MOV trong môi trường Matlab. Xây dựng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của mô hình bảo vệ quá điện áp 2 tầng và 3 tầng. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài dự kiến sẽ đạt được những kết quả mang tính thực tiễn như sau: 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 lan truyền trên đường nguồn hạ áp một cách hợp lý trong điều kiện thiếu phòng thí nghiệm hiện nay. Cung cấp các mô hình máy phát xung sét và các phần tử bảo vệ hữu ích cho cho những ai quan tâm đến việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống sét dưới tác động của xung sét lan truyền và đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn cho công trình. Tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN Luận án gồm 5 chương: Chương Mở đầu.

Chương 1: Tổng quan về hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp. Trang 3 Luan van Chương mở đầu Chương 2: Giới thiệu phần mềm MatLab & Xây dựng mô hình máy phát xung. Chương 3: Xây dựng mô hình các phần tử bảo vệ xung sét trên đường nguồn hạ áp. Chương Kết luận.

Trang 4 Luan van Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.