Luận văn thạc sĩ về mô hình máy phát xung tiêu chuẩn trong nghiên cứu bảo vệ chống sét

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và xây dựng mô hình các máy phát xung tiêu chuẩn, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực điện tử.

• Tác giả: Phùng Văn Biển
• Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
• Trường học: Đại học công nghệ thông tin – ĐHQG HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu mô hình máy phát xung tiêu chuẩn cho bảo vệ chống sét
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Các bước tiến hành
• 1.5. Điểm mới của luận văn
• 1.6. Giá trị thực tiễn của luận văn
• 1.7. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC DẠNG XUNG TIÊU CHUẨN VÀ CÁC TIÊU CHUẨN LIÊN QUAN
• 2.1. Xung dòng điện
• 2.2. Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng xung dòng điện
• 2.3. Thời gian đầu sóng T1
• 2.4. Điểm gốc giả định O1
• 2.5. Thời gian toàn sóng T2
• 2.6. Các dạng xung dòng tiêu chuẩn
• 2.7. Các tiêu chuẩn liên quan
• 2.8. Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng xung điện áp
• 2.9. Thời gian đầu sóng T1
• 2.10. Điểm gốc giả định O1
• 2.11. Thời gian toàn sóng T2
• 2.12. Các dạng xung điện áp chuẩn
• 2.13. Các tiêu chuẩn liên quan
• 2.14. Xung hỗn hợp dòng - áp (8/20µs và 1,2/50µs)
• 2.15. Xung sét tiêu chuẩn ở một số nước trên thế giới
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA CÁC DẠNG XUNG TIÊU CHUẨN
• 3.1. Phương trình toán của các dạng xung tiêu chuẩn
• 3.2. Tìm quan hệ giữa (t2/t1) và (b/a)
• 3.3. Tìm quan hệ giữa (b/a) và at1
• 3.4. Tìm mối quan hệ giữa (b/a) và (I1/I)
• 3.5. Các bước thực hiện
• 3.6. Xây dựng mô hình toán các dạng xung tiêu chuẩn
• 3.7. Xây dựng mô hình toán
• 3.8. Tạo Function Block Parameters
• 3.9. Mô phỏng các dạng xung
• 3.10. Mô phỏng các dạng xung dòng
• 3.11. Mô phỏng các dạng xung áp
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA CÁC DẠNG XUNG TIÊU CHUẨN
• 4.1. Mô hình máy phát xung dòng
• 4.2. Mô hình máy phát xung áp
• 4.3. Mô phỏng các dạng xung
• 4.4. Xung dòng điện 4/10µs
• 4.5. Xung dòng điện 8/20µs
• 4.6. Xung dòng điện 10/350µs
• 5. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT XUNG HỖN HỢP (XUNG ÁP 6 kV, 1.2/50µs – XUNG DÒNG 3kA, 8/20µs)
• 5.1. Giả thiết mạch điện cho máy phát xung hỗn hợp
• 5.2. Phân tích mạch
• 5.3. Mô phỏng máy phát xung hỗn hợp bằng Matlab
• 6. CHƯƠNG 6: SO SÁNH DẠNG XUNG MÔ PHỎNG VÀ DẠNG XUNG TỪ MÁY PHÁT XUNG THỰC TẾ
• 6.1. Máy phát xung AXOS8
• 6.2. Thông số kỹ thuật của máy phát xung AXOS8
• 6.3. Vận hành chung
• 6.4. So sánh độ chính xác của xung mô phỏng và xung máy phát thực tế
• 6.5. Xung phát ra từ thiết bị AXOS8
• 6.6. So sánh độ chính xác của xung mô phỏng và xung máy phát thực tế
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu mô hình máy phát xung tiêu chuẩn

Nghiên cứu mô hình máy phát xung tiêu chuẩn cho bảo vệ chống sét là một lĩnh vực quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho các hệ thống điện và điện tử. Mô hình này giúp tạo ra các xung điện gần giống với xung sét thực tế, từ đó đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ. Việc phát triển mô hình này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong thử nghiệm mà còn giảm thiểu chi phí cho các thiết bị nhập khẩu đắt đỏ.

1.1. Tầm quan trọng của mô hình máy phát xung trong bảo vệ chống sét

Mô hình máy phát xung đóng vai trò quan trọng trong việc thử nghiệm các thiết bị bảo vệ chống sét. Nó giúp xác định khả năng chịu đựng của thiết bị trước các xung điện mạnh, từ đó nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

1.2. Các tiêu chuẩn hiện hành cho mô hình máy phát xung

Các tiêu chuẩn như IEC, IEEE, và ITU quy định rõ ràng về các dạng xung cần thiết cho thử nghiệm. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này đảm bảo rằng mô hình máy phát xung đạt yêu cầu về độ chính xác và hiệu quả.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu mô hình máy phát xung

Mặc dù có nhiều nghiên cứu trước đây, nhưng vẫn tồn tại nhiều vấn đề trong việc phát triển mô hình máy phát xung. Các mô hình hiện tại thường không đạt yêu cầu về độ chính xác và chưa phản ánh đúng các đặc tính của xung sét thực tế. Điều này gây khó khăn trong việc đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ.

2.1. Thiếu sót trong các mô hình hiện tại

Nhiều mô hình hiện tại chỉ tập trung vào biên độ mà không xem xét tốc độ tăng và giảm của xung. Điều này dẫn đến việc đánh giá không chính xác khả năng bảo vệ của thiết bị.

2.2. Chi phí cao cho thiết bị máy phát xung

Giá thành của các máy phát xung nhập khẩu rất cao, gây khó khăn cho các phòng thí nghiệm trong nước. Việc phát triển mô hình máy phát xung tiêu chuẩn trong nước là cần thiết để giảm thiểu chi phí.

III. Phương pháp nghiên cứu mô hình máy phát xung tiêu chuẩn

Để xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học hiện đại. Việc sử dụng mô hình toán học và mô hình vật lý sẽ giúp đánh giá chính xác hơn về các dạng xung cần thiết.

3.1. Mô hình toán học cho các dạng xung

Mô hình toán học giúp xác định các mối quan hệ giữa các tham số của xung, từ đó xây dựng các dạng xung tiêu chuẩn như 8/20µs, 10/350µs.

3.2. Mô hình vật lý và ứng dụng trong thực tiễn

Mô hình vật lý cho phép mô phỏng các dạng xung trong môi trường thực tế, giúp đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ chống sét.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình máy phát xung tiêu chuẩn

Mô hình máy phát xung tiêu chuẩn không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc bảo vệ các hệ thống điện và điện tử. Việc áp dụng mô hình này giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của các thiết bị bảo vệ chống sét.

4.1. Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống sét

Mô hình máy phát xung giúp đánh giá hiệu quả của các thiết bị bảo vệ chống sét trong các tình huống thực tế, từ đó cải thiện thiết kế và ứng dụng của chúng.

4.2. Tích hợp mô hình vào hệ thống bảo vệ

Việc tích hợp mô hình máy phát xung vào hệ thống bảo vệ giúp nâng cao khả năng chống sét cho các thiết bị điện và điện tử, giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu mô hình máy phát xung

Nghiên cứu mô hình máy phát xung tiêu chuẩn cho bảo vệ chống sét là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Việc phát triển các mô hình chính xác và hiệu quả sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của các thiết bị bảo vệ. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho ngành điện và điện tử.

5.1. Hướng phát triển trong nghiên cứu

Nghiên cứu cần tiếp tục mở rộng để phát triển các mô hình mới, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu thực tiễn và tiêu chuẩn quốc tế.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong ngành điện

Nghiên cứu mô hình máy phát xung sẽ góp phần quan trọng trong việc bảo vệ các hệ thống điện, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và thiết bị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Các dạng xung tiêu chuẩn và các tiêu chuẩn liên quan. Chương 3: Xây dựng mô hình toán của các dạng xung tiêu chuẩn. Chương 4: Xây dựng mô hình vật lý của các dạng xung tiêu chuẩn.

Chương 5: Xây dựng mô hình máy phát xung hỗn hợp ( Xung áp 6 KV, 1.2/50µs – xung dòng 3 KV, 8/20µs ) Chương 6: So sánh dạng xung mô phỏng và xung từ máy phát xung thực tế. Chương 7: Kết luận. Tài liệu tham khảo. Phụ lục 4 Chƣơng 2 CÁC DẠNG XUNG TIÊU CHUẨN VÀ CÁC TIÊU CHUẨN LIÊN QUAN 2.

Xung dòng điện 2. Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng xung dòng điện 2. Thời gian đầu sóng T1 Thời gian đầu sóng T1 của xung dòng điện là một tham số giả định được xác định bằng 1,25 lần khoảng thời gian T giữa các thời điểm khi xung là 10% và 90% giá trị đỉnh. Điểm gốc giả định O1 Điểm gốc giả định O1 là giao điểm của đường thẳng được vẽ qua các điểm chuẩn 10% và 90% trên đầu sóng với trục thời gian.

Thời gian toàn sóng T2 Thời gian toàn sóng T2 của xung dòng điện là một tham số giả định được xác định bằng khoảng thời gian giữa điểm gốc giả định O1 và thời điểm khi dòng điện đã giảm nữa giá trị đỉnh. Dung sai - Giá trị đỉnh:± 10% - Thời gian đầu sóng T1:± 10% - Thời gian toàn sóng T2:± 10% 5 Hình 2.1: Dạng xung dòng điện tiêu chuẩn 2. Các dạng xung dòng tiêu chuẩn Là các xung dòng điện được tiêu chuẩn hóa trở thành các xung tiêu chuẩn và thường được mô tả dưới dạng α/β µs trong đó α là thời gian đầu sóng T1 (µs) còn β là thời gian toàn sóng T2 (µs) :  Đối với xung 1/5µs thì T1 = 1 µs và T2 = 5 µs  Đối với xung 4/10µs thì T1 = 4 µs và T2 = 10 µs  Đối với xung 8/20µs thì T1 = 8 µs và T2 = 20 µs  Đối với xung 10/350µs thì T1 = 10 µs và T2 = 350 µs 2. Dạng xung 8/20 µs Theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-5 xung 8/20µs được đặc trưng bởi các thông số sau: T = Time B – Time C; T1  1.25T  8 s  20% ; T2  20 s  20% Vọt lố dưới  30% của đỉnh sóng .2: Dạng xung dòng 8/20µs tiêu chuẩn Dạng xung 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.3: Xung 8/20µs đánh vào đường dây trên không 7 Hình 2.4: Sét đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình Theo tiêu chuẩn IEC 60-2, ANSI/IEEE Std 4-1978 và ANSI C62.1-1984, xung dòng điện 8/20µs được xác định theo công thức gần đúng: i(t )  AI pt 3et / (2.01243 (µs)-3 ; t là thời gian (µs), (t ≥ 0); Ip là giá trị đỉnh của xung dòng điện.

Dạng xung 10/350 µs Theo tiêu chuẩn IEC 61312-1 xung 10/350µs được đặc trưng bởi các thông số sau: T = Time B – Time C; T1  1.25T  10 s  20% ; T2  350 s  20%  Theo tiêu chuẩn IEC 61643-1 sử dụng xung dòng 10/350µs để kiểm tra thử nghiệm đáp ứng xung SPDs.  Các thông số của xung 10/350µs được cho trong bảng phụ lục trang 143 tiêu chuẩn IEC 61643-1.  Tiêu chuần IEC 61312-1 dựa các thông số xung dòng 10/350µs, kết quả nghiên cứu và được công bố trên 2 bản tạp chí quốc tế về điện năm 1975 và 1980.5: Dạng xung dòng 10/350µs tiêu chuẩn Dạng xung 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.6: Xung 10/350µs đánh trực tiếp vào kim thu sét trên đỉnh công trình 9 Hình 2.7: Xung 10/350µs đánh trực tiếp vào đường dây trên không lân cận công trình Xung dòng điện 10/350µs được xác định theo công thức : 10 t     I  A.075;1  19 s; 2  485 s; I p là giá trị đỉnh của xung dòng điện (A); t là thời gian (s). Dạng xung dòng 5/320 µs: Theo tiêu chuẩn IEC 60060-1, thì xung 5/320µs được đặc trưng bởi các thông số sau: T1  1.8: Dạng xung dòng 5/320µs tiêu chuẩn Hình 2.9: Sơ đồ phát xung dòng 5/320µs 2.

Các tiêu chuẩn liên quan Bảng 2.1: Tổng hợp các tiêu chuẩn về xung dòng Surge Standard Condition Edge Time and Amplitude tolerance IEEE Std4 Điện áp hở See note IEC 61643-1 mạch (2005-03) Dòng điện T1 8µs ± 10% ±10% 11 8/20 µs ngắn mạch T2 20µs ± 10% 0 ÷ 20% IEC 61000-4-5 Điện áp hở See note IEC 62475 mạch (2005-11) Dòng điện T1 8µs ± 20% ±10% ngắn mạch T2 20µs ± 20% 0 ÷ 30% IEC 61312-1 Điện áp hở See note 10/350 IEC 61643-1 mạch µs (20005-03) Dòng điện Waveform charge ngắn mạch, 0.Iimp C; -10%÷20% ±10% Iimp Waveform I2t 0.25*(Iimp)2A2s; - 10%÷45% 5/320 IEC 60060-1 Điện áp hở See note µs mạch Dòng điện T1 5µs ± 20% 0 ÷ 15% ngắn mạch T2 320µs ± 20% 2. Tiêu chuẩn IEC 61643-1 Đây là tiêu chuẩn thiết bị chống sét sử dụng trên mạng điện hạ áp – các yêu cầu và phương pháp thử nghiệm.  Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn này áp dụng cho thiết bị chống sét chống lại các ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp của sét hoặc các đột biến điện áp khác. Các thiết bị này được sử dụng để được nối vào nguồn a.c 50/60Hz có điện áp đến 1000 V hiệu dụng hoặc hoặc d.

 Nội dung:  Phạm vi áp dụng  Các tài liệu viện dẫn  Các định nghĩa  Điều kiện sử dụng  Phân loại  Các tiêu chuẩn kỹ thuật  Các yêu cầu 12  Phương pháp đo thử  Nhận xét: - Tiêu chuẩn IEC 61643-1 nêu ra được phạm vi áp dụng cho các thiết bị bảo vệ xung sử dụng trên mạng điện hạ áp chống lại ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp của sét hoặc điện áp đột biến khác. - Mục đích của các thiết bị bảo vệ xung là bảo vệ thiết bị điện hiện đại được đấu nối đến mạng viễn thông và mạng báo hiệu với điện áp hệ thống danh định nên đến 1000 V(r.c  Một số định nghĩa sử dụng cho IEC 61643  Surge Protective Device (SPD): thiết bị chống sét có tính năng giới hạn quá áp lan truyền (transient ) và chuyển hướng (divert) xung dòng điện, nó chứa ít nhất một phần tử phi tuyến.  Dòng phóng danh định (nominal discharge current) In: phần xung dòng chạy qua thiết bi chống sét có dạng xung dòng 8/20 µs, dạng xung này để phân loại thiết bị chống sét cấp 2, đồng thời là điều kiện tiên quyết của các thử nghiệm thiết bị cấp 1 và cấp 2.  Dòng xung (impulse current) Iimp: được định nghĩa bởi 3 thông số: dòng cực đại, điện tích và năng lượng của xung.

Tham số Iimp được dùng để phân loại cho các thử nghiệm thiết bị chống sét cấp 1.  Dòng phóng cực đại Imax cho các thử nghiệm thiết bị chống sét cấp 2 (maximum discharge current Imax for class II test): phần xung dòng chạy qua thiết bi chống sét có dạng xung dòng 8/20 µs và được phóng đại theo kết quả thử nghiệm thiết bị chống sét cấp 2 làm việc trong thử nghiệm – Imax lớn hơn rất nhiều In.  Điện áp làm việc liên tục lớn nhất (maximum continuous operating voltage) Uc: là điện áp r.s hoặc điện áp DC lớn nhất đặt lên thiết bị chống sét ở chế độ bảo vệ.  Mức điện áp bảo vệ (voltage protection level) Up: tham số thể hiện đặc tính khả năng làm việc của thiết bị chống sét đối với điện áp giới hạn đặt lên cực của 13 thiết bị được lựa chọn từ danh sách các giá trị tham số yêu cầu.

Tham số này phải lớn hơn giá trị điện áp giới hạn điện áp điều hòa (dòng sin 50 Hz)  Phân loại thử nghiệm xung  Các thử nghiệm cấp I: thử nghiệm được thực hiện với các dạng xung dòng phóng bình thường In, xung áp 1,2/50 µs và dòng xung cực đại Iimp theo định nghĩa về tham số cho các thử nghiệm thiết bị cấp 1.  Các thử nghiệm cấp II: thử nghiệm được thực hiện với các dạng xung dòng phóng bình thường In, xung áp 1,2/50 và dòng xung cực đại Imax theo định nghĩa về tham số thử nghiệm cho thiết bị cấp 2.  Các thử nghiệm cấp III: thực hiện với dạng xung kết hợp – combination wave (1,2/50µs và 8/20µs) theo định nghĩa xung kết hợp.  Phân loại thiết bị chống sét theo các thử nghiệm SPD cấp I, II và III Thông số yêu cầu cho thử nghiệm cấp I, cấp II và cấp III được mô tả theo Bảng 2.2: Các thử nghiệm cấp I, II và III Quy trình thử nghiệm Thử nghiệm Thông số yêu cầu (xem các mục) Cấp I Iimp (*) Cấp II Imax (**) Cấp III Uoc (***)  Các tham số thử nghiệm tiêu chuẩn  Giá trị tiêu chuẩn của dòng xung đối với thử nghiệm cấp I Iimp.3: Giá trị tiêu chuẩn của dòng xung Iimp Dòng cực đại Ipeak(kA) 1 2 5 10 20 Điện tích xung Q (As) 0,5 1 2,5 5 10  Giá trị tiêu chuẩn của dòng phóng danh định đối với thử nghiệm cấp II In 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 5; 10; 15; 20kA  Giá trị tiêu chuẩn của điện áp hở mạch đối với thử nghiệm cấp III Uoc 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 10; 20kV  Giá trị tiêu chuẩn của mức bảo vệ điện áp Up 14 0,08; 0,09; 0,1; 0,12; 0,15; 0,22; 0,33; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,2; 1,5; 1,8; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10kV  Giá trị tiêu chuẩn của điện áp ( r.c) làm việc liên tục lớn nhất Uc.

52; 63; 75; 95; 110; 130; 150; 175; 220; 230; 240; 250; 260; 275; 280; 320; 420; 440; 460; 510; 530; 600; 630; 690; 800; 900; 1000 và 1500 V  Thử nghiệm dòng xung cấp I(*) Dòng xung thử nghiệm Iimp được xác định bởi các thông số:Cường độ dòng xung cực đại Ipeak , điện tích xung Q và năng lượng xung W/R. Dòng xung đơn cực đạt đỉnh trong thời gian 50µs, thời gian phóng điện tích Q là 10ms và thời gian năng lượng xung chuyển về 0 là 10ms. Công thức liên hệ giữa đỉnh dòng xung với Q và W/R như sau: Q = Ipeak x a trong đó a = 5.