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 Dòng điện sét có dạng một sóng xung. Trung bình trong khoảng vài ba s, dòng 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 đuôi 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 dòng sét là giá trị lớn nhất của dòng điện sét. Biên độ dòng sét thường không vượt quá 200÷300kA.
Thời gian đầu sóng (τ1) là thời gian mà dòng sét tăng từ 0 đến giá trị cực đại trong khoảng từ 1÷100µs với tia tiên đạo đầu tiên và ÷ 0 s với dòng 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 dòng sét đầu tiên và ÷ 0 s với các dòng sét lặp lại. Tốc độ tăng dòng 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 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 dông.
Trị số dòng 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 sô 30kA. Dòng điện sét có trị số từ 0 kA đến 100 kA có xảy ra nhưng ít, còn sét có dòng điện từ 100 kA trở lên rất 5 hiếm khi xảy ra, trị số này ch d ng đế tính toán khi thiết kế bảo vệ chống sét cho các công trình rất đặc biệt có nguy cơ xảy ra cháy hoặc nổ cho các trạm phân phối điện quan trọng. Đường cong xác xuất biên độ dòng 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 dòng 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 1.2 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.2 CÁC TIÊU CHUẨN BẢO VỆ QUÁ ÁP 1.1 Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE Theo ANSI/IEEE Std.41-1 1 định nghĩa có 3 mức độ quá điện áp ở các công 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 tòa 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.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 công 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. Các cấp độ bảo vệ quá áp dựa vào khả năng chịu quá áp của thiết bị 1.3 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. Lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế cho mạng điện 1 pha Hình 1. Lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế cho mạng điện 3 pha 1.3 BIẾN TRỞ OXIT KIM LOẠI (MOV) 1.1 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 quá độ đột biến hoàn 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. Đặc tuyến V/I của một MOV trong vùng tuyến tính Quan hệ giữa dòng 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 dòng 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.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. Cấu tạo của MOV Bản thân hạt oxit kẽm dẫn điện rất tốt (đường kính hạt khoảng 1 ÷100m), trong khi oxit kim loại khác bao bên ngoài 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. Việc m c nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dòng 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 dòng xung đột biến cao. Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I Mỗi một hạt ZnO của Ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại v ng biên của các hạt.
Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như Hình 1. Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thể xem như là một thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt. Hành vi của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của Ceramic, kích thước hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trò chính trong hành vi về điện.
