Đặt vấn đề Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét. Số ngày có dông ở Việt Nam thuộc loại khá lớn, khả năng xuất hiện hầu như quanh năm ở các vùng, song thời kỳ tập trung nhất là vào mùa mưa với cường độ hoạt động rất mạnh. Thực tế sét đã gây nhiều tác hại đến đời sống con người, gây hư hỏng thiết bị, công trình. Trong mạng phân phối điện, quá điện áp do sét lan truyền trên đường cấp nguồn là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cố và làm hư hỏng các thiết bị điện và đặc biệt là các thiết bị điện tử trong công trình.
Ở các vùng lãnh thổ với điều kiện khí hậu, thời tiết và địa hình khác nhau thì đặc điểm về hoạt động dông sét khác nhau. Mặc khác, điều kiện trang bị kỹ thuật khác nhau thì mức độ thiệt hại do sét gây ra cũng khác nhau. Vì vậy, ngoài việc tiếp nhận các kết quả nghiên cứu của thế giới, mỗi nước cần phải tự tiến hành điều tra, nghiên cứu về đặc tính hoạt động dông sét và các thông số phóng điện sét trên lãnh thổ của mình để từ đó đề ra những biện pháp phòng, chống sét thích hợp, hiệu quả. Vì vậy, việc đề ra giải pháp chống sét cho thiết bị điện tử theo tiêu chuẩn TCVN 9888:2013 là cần thiết.
Luận văn này đi sâu nghiên cứu các biện pháp bảo vệ hệ thống điện và điện tử chống xung sét điện từ theo TCVN 9888:2013, xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn, mô hình thiết bị triệt xung theo công nghệ MOV, đánh giá hiệu quả bảo vệ ứng với các kiểu phối hợp SPD khác nhau. Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các NCS, các học viên cao học trong việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị triệt xung sét SPD, dưới tác động của xung sét lan truyền trên đường nguồn hạ 1 Luan van áp.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Nghiên cứu ngoài nước [1-11]: Tiêu chuẩn IEC 62305-4, bảo vệ chống sét cho thiết bị điện-điện tử bên trong tòa nhà. Tiêu chuẩn ANSI/IEEE Std.41–199, hướng dẫn về thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp. Tiêu chuẩn IEEE W.11, mô hình chống sét van dạng MOV.
Các nghiên cứu và mô hình chống sét van dạng MOV, mô hình máy pháy xung tiêu chuẩn. Các nghiên cứu nói trên tập trung vào việc xây dựng mô hình chống sét van dạng MOV cao áp, chưa đi sâu vào việc xây dựng mô hình SPD dạng SG, dạng MOV hạ áp, cũng như khảo sát hiệu quả bảo vệ với các kiểu phối hợp SPD khác nhau.2 Nghiên cứu trong nước [12-17]: Các nghiên cứu về các kiểu phối hợp SPD bảo vệ xung quá độ do sét nhưng chưa đầy đủ và mang tính hệ thống; Các nghiên cứu về xây dựng mô hình SPD dạng MOV trong môi trường Matlab nhưng chưa đề cập đến cấu trúc bảo vệ đa tầng; Nghiên cứu đến thiết kế lắp đặt các biện pháp bảo vệ chống xung sét điện từ (LEMP) thì chưa được quan tâm một cách đầy đủ ở Việt Nam.3 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống bảo vệ chống xung sét điện từ: che chắn từ và cách thức đi dây, hệ thống tiếp đất và bao bọc. Nghiên cứu các kiểu phối hợp SPD bảo vệ xung quá độ do sét lan truyền trên đường nguồn. Xây dựng mô hình SG, và MOV trong Matlab.
2 Luan van Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống xung sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp của các kiểu phối hợp SPD.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài Nghiên cứu tiêu chuẩn TCVN 9888:2013; Nghiên cứu các biện pháp bảo vệ thiết bị điện - điện tử bên trong tòa nhà chống hư hỏng do tác hại của xung sét.5 Phương pháp nghiên cứu Tham khảo tài liệu và ý kiến của chuyên gia; Phương pháp phân tích, tổng hợp; Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng. Điểm mới của luận văn Đề xuất biện pháp bảo vệ chống xung sét điện từ cho thiết bị điện-điện tử bên trong tòa nhà theo khuyến cáo của TCVN 9888:2013; Xây dựng mô hình SPD có giao diện thân thiện, dễ sử dụng và độ chính xác đạt yêu cầu; Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp với các kiểu phối hợp SPD khác nhau. Giá trị thực tiễn của luận văn Cung cấp các mô hình SPD phục vụ công tác nghiên cứu hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp; Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo khi nghiên cứu các biện pháp bảo vệ chống xung sét điện từ cho các thiết bị điện, thiết bị điện tử bên trong tòa nhà và hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn với các kiểu phối hợp SPD khác nhau. 3 Luan van CHƯƠNG 2 BIỆN PHÁP BẢO VỆ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CHỐNG XUNG SÉT ĐIỆN TỪ (LEMP) 2.
Giới thiệu tiêu chuẩn TCVN 9888-4:2013 Tiêu chuẩn này cung cấp thông tin cho việc thiết kế, lắp đặt, kiểm tra, bảo trì và thử nghiệm biện pháp bảo vệ hệ thống (SPM) điện và điện tử để giảm rủi ro hỏng vĩnh viễn do xung sét điện từ (LEMP) trong các kết cấu. Tiêu chuẩn này không bao gồm việc bảo vệ chống can nhiễu điện từ do sét có thể làm cho các hệ thống bên trong hoạt động sai. Tuy nhiên, tiêu chuẩn có thể áp dụng để đánh giá các loại nhiễu này. Các biện pháp bảo vệ chống can nhiễu điện từ được cho trong TCVN 7447-4-44 (IEC 60364-4-44) và trong bộ tiêu chuẩn IEC 61000.
Tiêu chuẩn này cung cấp các hướng dẫn cho việc hợp tác giữa người thiết kế hệ thống điện và điện tử và người thiết kế các biện pháp bảo vệ để đạt được hiệu quả bảo vệ tối ưu. Tiêu chuẩn này không đề cập đến các thiết kế chi tiết của bản thân các hệ thống điện và điện tử. Hệ thống bảo vệ chống xung sét điện từ Các thiết bị điện và điện tử dễ bị hư hại bởi xung sét điện từ (LEMP). Vì vậy, cần phải sử dụng SPM để tránh các hư hại cho các hệ thống bên trong.
Thiết kế của SPM phải được thực hiện bởi các chuyên gia về bảo vệ chống sét và bảo vệ chống đột biến, những người có vốn kiến thức rộng lớn về tương thích điện từ (EMC) và thực tiễn lắp đặt. Bảo vệ chống LEMP dựa trên khái niệm về vùng bảo vệ chống sét (LPZ): vùng chứa các hệ thống cần được bảo vệ phải sẽ được chia thành các LPZ. Về lý thuyết, các vùng này được chia theo không gian (hoặc theo các hệ thống bên trong) trong đó sự 4 Luan van khắc nghiệt của LEMP phù hợp với ngưỡng chịu đựng của các hệ thống bên trong được bao trong đó (Hình 2. Các vùng nối tiếp nhau được đặc trưng bởi các thay đổi đáng kể về khắc nghiệt của LEMP.
Biên của một LPZ được xác định bởi các biện pháp bảo vệ được sử dụng (Hình 2.1 Nguyên tắc chung của việc phân chia thành các LPZ khác nhau Liên kết các dịch vụ đi vào kết cấu một cách trực tiếp hoặc thông qua SPD thích hợp. Chú thích: Đây là một ví dụ về phân chia kết cấu thành các LPZ bên trong. Tất cả các dịch vụ bằng kim loại đi vào kết cấu đều được liên kết ở biên của LPZ 1 thông qua các thanh liên kết. Thêm vào đó, các dịch vụ dẫn đi vào LPZ 2 (ví dụ phòng máy tính) được liên kết ở biên của LPZ 2 thông qua các thanh liên kết.
SPM sử dụng màn chắn không gian và hệ thống SPD phối hợp – Thiết bị được bảo vệ tốt chống các đột biến dẫn ( U2<< U0 và I2<< I0) và chống trường từ bức xạ ( H2<< H0 ). SPM sử dụng màn chắn không gian của LPZ 1 và bảo vệ SPD ở lối vào của LPZ 1 – Thiết bị được bảo vệ chống các đột biến dẫn ( U1< U0 và I1< I0) và chống trường từ bức xạ ( H1< H0 ) 6 Luan van 2. SPM sử dụng màn chắn đường dây bên trong và bảo vệ SPD ở lối vào của LPZ 1 – Thiết bị được bảo vệ chống các đột biến dẫn ( U2< U0 và I2< I0) và chống các trường từ bức xạ ( H2< H0 ). SPM chỉ sử dụng hệ thống SPD phối hợp – Thiết bị được bảo vệ chống các đột biến dẫn ( U2<< U0 và I1<< I0) nhưng không chống trường từ bức xạ H0 Chú dẫn: ranh giới được bảo vệ ranh giới không được bảo vệ Chú thích 1: Các SPD có thể được đặt tại các điểm sau: Tại đường biên của LPZ 1 (ví dụ ở bảng phân phối chính MB); Tại đường biên của LPZ 2 (ví dụ ở bảng phân phối phụ SB); Tại thiết bị hoặc gần thiết bị (ví dụ ở ổ cắm điện đầu ra SA).
Chú thích 2: Đối với các quy định chi tiết về lắp đặt, xem thêm TCVN 7447-5-53 (IEC 60364-5-53). 2 Ví dụ về các SPM (các biện pháp bảo vệ chống LEMP) có thể có 7 Luan van 2. Thiết kế SPM SPM có thể được thiết kế để bảo vệ thiết bị chống lại các đột biến và trường điện từ.2 chỉ ra một vài ví dụ về SPM sử dụng các biện pháp bảo vệ như LPS, các màn chắn từ và các hệ thống SPD phối hợp. SPM sử dụng các màn chắn không gian và hệ thống SPD phối hợp sẽ bảo vệ chống lại trường từ bức xạ và các đột biến dẫn (Hình 2.
Các màn chắn không gian theo lớp và SPD phối hợp có thể giảm trường từ và các đột biến xuống mức đe dọa thấp hơn. SPM sử dụng màn chắn không gian của LPZ 1 và SPD ở đầu vào của LPZ 1 có thể bảo vệ thiết bị chống lại trường từ bức xạ và chống lại các đột biến dẫn (Hình 2. Chú thích 1: Bảo vệ sẽ là không đủ nếu trường từ giữ ở mức quá cao (do hiệu quả che chắn của LPZ 1 thấp), hoặc nếu biên độ của đột biến giữ ở mức quá cao (do mức bảo vệ điện áp cao của SPD và do các tác động cảm ứng lên dây ở phía sau SPD). SPM sử dụng các đường dây che chắn kết hợp với các vỏ bọc che chắn của thiết bị sẽ bảo vệ chống lại trường từ bức xạ.
SPD ở đầu vào của LPZ 1 sẽ bảo vệ chống lại các đột biến dẫn (Hình 2.