Luận văn thạc sĩ hcmute nghiên cứu và xây dựng mô hình thiết bị triệt xung trên lưới phân phối hạ áp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hcmute nghiên cứu và xây dựng mô hình thiết bị triệt xung trên lưới phân phối hạ áp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Hà Giang
• 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: Nghiên Cứu Mô Hình Thiết Bị Triệt Xung Cho Lưới Phân Phối Hạ Áp Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG MỞ ĐẦU
• 1.1. Nhiệm vụ đề tài
• 1.2. Giới hạn đề tài
• 1.3. Các bước tiến hành
• 1.4. Tính mới của đề tài
• 1.5. Tính thực tiễn
• 1.6. Nội dung đề tài
• 1.7. Phương pháp nghiên cứu
• 2. TỔNG QUAN VỀ TRIỆT XUNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP
• 2.1. Khái niệm về sét
• 2.2. Tần suất xuất hiện sét
• 2.3. Các thông số và tiêu chuẩn chống sét lan truyền
• 2.3.1. Các thông số của sét lan truyền
• 2.3.2. Các tiêu chuẩn liên quan
• 2.4. Tiêu chuẩn ANSI/IEEE C62.15 Dạng xung dòng sét
• 2.5. Xung hỗn hợp dòng - áp (8/20µs và 1,2/50µs)
• 3. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ TRIỆT XUNG MOV
• 3.1. MOV đơn khối và MOV đa khối
• 3.1.1. Cấu tạo cơ bản của thiết bị triệt xung MOV đơn khối
• 3.1.2. Sự khác nhau giữa MOV đơn khối và MOV đa khối
• 3.2. Tính năng hoạt động của biến trở ZnO
• 3.3. Thời gian đáp ứng
• 3.4. Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình
• 3.4.1. Năng lượng cho phép
• 3.4.2. Công suất tiêu tán trung bình
• 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.6. Ảnh hưởng của điện cảm dây nối đến điện áp dư
• 3.7. Phối hợp MOV
• 3.7.1. Mục tiêu chung của phối hợp MOV
• 3.7.2. Nguyên tắc phối hợp
• 3.8. Các đặc tính của MOV và các hư hỏng thường gặp
• 4. MÔ HÌNH THIẾT BỊ TRIỆT XUNG MOV
• 4.1. Đánh giá mô hình thiết bị triệt xung MOV Matlab
• 4.1.1. Giới thiệu mô hình. Nguyên lý làm việc của mô hình
• 4.1.2. Đánh giá mô hình
• 4.2. Cấu trúc cơ bản của mô hình cải tiến thiết bị triệt xung MOV hạ áp
• 4.3. Xây dựng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp cải tiến trên Matlab
• 4.4. Mô hình điện trở phi tuyến trên Matlab
• 4.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc tuyến V(I)
• 4.4.2. Mô hình thiết bị triệt xung MOV đa khối
• 4.4.3. Mô hình thiết bị triệt xung MOV hạ áp cải tiến trên Matlab
• 5. MÔ PHỎNG THIẾT BỊ TRIỆT XUNG HẠ ÁP CẢI TIẾN TRÊN MATLAB
• 5.1. Mô hình nguồn phát xung dòng 8/20µs
• 5.2. Mô phỏng đáp ứng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp cải tiến với xung dòng 8/20µs
• 5.3. Mô phỏng số phần tử MOV trong thiết bị triệt xung hạ áp
• 6. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA MÔ HÌNH CẢI TIẾN THIẾT BỊ TRIỆT XUNG HẠ ÁP
• 6.1. Giới thiệu thành phần của hệ thống AXOS8. Máy phát xung sét AXOS8
• 6.2. Mô phỏng đáp ứng thiết bị triệt xung hạ áp với xung dòng 8/20µs
• 6.3. Kiểm tra đáp ứng thiết bị triệt xung hạ áp của các hãng
• 6.3.1. Thiết bị triệt xung hạ áp MFV 20D511K
• 6.3.2. Thiết bị triệt xung hạ áp ESP 415D1
• 7. CHƯƠNG KẾT LUẬN
• 7.1. Hướng phát triển tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết bị triệt xung

Thiết bị triệt xung là một phần quan trọng trong hệ thống điện, giúp bảo vệ các thiết bị điện khỏi các quá điện áp do sét và các tác động khác. Thiết bị triệt xung thường được lắp đặt trong lưới phân phối hạ áp để đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện. Mô hình thiết bị triệt xung hạ áp được xây dựng nhằm mục đích mô phỏng và đánh giá hiệu quả của thiết bị trong việc triệt xung. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện mà còn cung cấp thông tin hữu ích cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này. Theo nghiên cứu, các yếu tố như nhiệt độ, độ dài dây kết nối và số phần tử MOV bên trong thiết bị có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của thiết bị triệt xung. Do đó, việc xây dựng mô hình chính xác là rất cần thiết.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị triệt xung

Thiết bị triệt xung thường được cấu tạo từ các phần tử MOV (Metal Oxide Varistor) có khả năng hấp thụ và triệt tiêu các xung điện áp. Nguyên lý hoạt động của thiết bị này dựa trên khả năng thay đổi điện trở của MOV khi có xung điện áp xuất hiện. Khi điện áp vượt quá ngưỡng cho phép, MOV sẽ dẫn điện và triệt tiêu xung điện áp, bảo vệ các thiết bị điện khác trong hệ thống. Việc nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị triệt xung giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị. Điều này cũng giúp trong việc thiết kế và cải tiến các thiết bị triệt xung trong tương lai.

II. Mô hình thiết bị triệt xung hạ áp

Mô hình thiết bị triệt xung hạ áp được xây dựng trong môi trường Matlab, cho phép người dùng dễ dàng tương tác và thực hiện các phép mô phỏng. Mô hình này bao gồm các thông số như điện áp làm việc cực đại, dòng xung cực đại, sai số điện áp ngưỡng, nhiệt độ môi trường và số phần tử MOV. Việc mô phỏng giúp đánh giá được hiệu suất của thiết bị triệt xung dưới các điều kiện khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác của mô hình so với nguyên mẫu là rất cao, với sai số điện áp dư lớn nhất chỉ là 3,3%, trong khi giá trị cho phép là 5%. Điều này chứng tỏ rằng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp có thể được sử dụng như một công cụ hữu ích cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị triệt xung.

2.1. Đánh giá mô hình thiết bị triệt xung

Đánh giá mô hình thiết bị triệt xung hạ áp được thực hiện thông qua việc so sánh các kết quả mô phỏng với các giá trị thực nghiệm. Các thông số như biên độ điện áp dư và dạng sóng được kiểm tra để đảm bảo tính chính xác của mô hình. Kết quả cho thấy rằng mô hình có thể phản ánh chính xác các đặc tính của thiết bị triệt xung trong điều kiện thực tế. Việc này không chỉ giúp cải thiện độ tin cậy của mô hình mà còn cung cấp thông tin quý giá cho việc thiết kế và phát triển các thiết bị triệt xung trong tương lai.

III. Ứng dụng thực tiễn của mô hình

Mô hình thiết bị triệt xung hạ áp không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có ứng dụng thực tiễn trong ngành điện. Các kỹ sư có thể sử dụng mô hình này để thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị triệt xung, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện. Ngoài ra, mô hình cũng có thể được sử dụng trong việc đào tạo sinh viên và các kỹ sư mới vào nghề, giúp họ hiểu rõ hơn về các nguyên lý hoạt động của thiết bị triệt xung. Việc áp dụng mô hình vào thực tiễn sẽ góp phần giảm thiểu rủi ro và thiệt hại do quá điện áp gây ra, bảo vệ an toàn cho hệ thống điện và các thiết bị liên quan.

3.1. Tính ứng dụng trong thiết kế và phát triển

Mô hình thiết bị triệt xung hạ áp có thể được sử dụng để phát triển các thiết bị mới với hiệu suất cao hơn. Các nhà sản xuất có thể dựa vào mô hình để thử nghiệm và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của thiết bị triệt xung, từ đó tạo ra các sản phẩm đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường. Hơn nữa, mô hình cũng giúp các kỹ sư trong việc đánh giá và lựa chọn thiết bị triệt xung phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc bảo vệ hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của hệ thống điện và sự gia tăng sử dụng các thiết bị điện tử công suất trên lưới phân phối, việc bảo vệ chống quá điện áp tạm thời trở thành một vấn đề cấp thiết. Quá điện áp do sét đánh trực tiếp hoặc lan truyền trên đường dây có thể gây ra hư hại nghiêm trọng cho thiết bị điện, ảnh hưởng đến độ tin cậy và an toàn vận hành hệ thống điện. Theo thống kê từ năm 1995 đến 2005, khoảng 40% cơn sét có dòng sét lớn hơn 20kA, trong khi 95% cơn sét có dòng sét dưới 60kA, cho thấy tần suất xuất hiện sét với biên độ nguy hiểm là khá phổ biến. Để bảo vệ hệ thống, thiết bị triệt xung hạ áp (MOV) được sử dụng rộng rãi nhằm giới hạn điện áp dư và hấp thu năng lượng xung sét.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp có tính đến các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ môi trường, chiều dài dây kết nối và số phần tử MOV tích hợp bên trong thiết bị. Mô hình được phát triển trong môi trường Matlab với giao diện thân thiện, cho phép khai báo các thông số kỹ thuật như điện áp làm việc cực đại, dòng xung cực đại, sai số điện áp ngưỡng, nhiệt độ và số phần tử MOV. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưới phân phối hạ áp, với các thử nghiệm và kiểm tra mô hình thực hiện trong khoảng thời gian từ 2014 đến 2016 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ mô phỏng chính xác với sai số điện áp dư dưới 5%, giúp các nhà nghiên cứu, kỹ sư và sinh viên có thể đánh giá hành vi thiết bị triệt xung trong điều kiện không thể đo thử thực tế. Kết quả này góp phần nâng cao hiệu quả lựa chọn và thiết kế thiết bị bảo vệ chống sét, từ đó tăng cường độ tin cậy và an toàn cho hệ thống điện phân phối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về đặc tính phi tuyến của biến trở oxide kẽm (MOV) và mô hình điện trở phi tuyến trong mạch điện. MOV là thiết bị phi tuyến, hoạt động dựa trên đặc tính điện áp-dòng điện không tuyến tính, tương tự như hai diode đấu ngược, với khả năng chuyển từ trạng thái cách ly sang dẫn điện khi xuất hiện xung quá áp. Cấu trúc vi mô của MOV gồm các hạt ZnO với các tiếp giáp p-n phức tạp, tạo nên đặc tính điện trở phi tuyến và khả năng hấp thu năng lượng xung sét.

Mô hình điện trở phi tuyến được xây dựng dựa trên đặc tính V-I của MOV, được biểu diễn bằng các phương trình hàm mũ và các hệ số phi tuyến, cho phép mô phỏng chính xác đáp ứng của thiết bị triệt xung dưới tác động của xung sét. Ngoài ra, mô hình còn xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, chiều dài dây kết nối và số phần tử MOV mắc song song, nhằm phản ánh thực tế vận hành và các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp dư và dòng xung.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: điện áp dư (residual voltage), dòng xung cực đại (impulse current), sai số điện áp ngưỡng (tolerance of varistor voltage), công suất tiêu tán trung bình (average power dissipation), và hệ số phi tuyến (nonlinearity coefficient).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn quốc tế IEC 61643-1, ANSI/IEEE C62.41, các catalogue thiết bị triệt xung của các nhà sản xuất, cùng với dữ liệu thực nghiệm từ hệ thống AXOS8. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Nghiên cứu tài liệu: Tổng hợp và phân tích các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật và các nghiên cứu liên quan đến thiết bị triệt xung và hiện tượng quá áp do sét.
• Mô hình hóa và mô phỏng: Sử dụng công cụ Simulink trong Matlab để xây dựng mô hình thiết bị triệt xung hạ áp, tích hợp các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, chiều dài dây nối và số phần tử MOV. Mô hình cho phép khai báo các tham số kỹ thuật và mô phỏng đáp ứng với dạng xung tiêu chuẩn 8/20µs.
• Thực nghiệm: Thực hiện đo thử nghiệm trên thiết bị triệt xung thực tế bằng hệ thống AXOS8 để kiểm tra và đánh giá độ chính xác của mô hình. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm các thiết bị triệt xung của các hãng khác nhau với các thông số kỹ thuật đa dạng.
• Phân tích và tổng hợp: So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm và catalogue để đánh giá sai số và tính tương đồng của mô hình. Sai số điện áp dư lớn nhất được ghi nhận là 3,3%, thấp hơn mức cho phép 5%.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2014 đến 2016, với các giai đoạn chính gồm tổng hợp tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng, thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình thiết bị triệt xung hạ áp được xây dựng thành công trong Matlab với giao diện thân thiện, cho phép khai báo các tham số kỹ thuật như điện áp làm việc cực đại, dòng xung cực đại, sai số điện áp ngưỡng, nhiệt độ môi trường và số phần tử MOV. Mô hình phản ánh chính xác đặc tính phi tuyến của MOV và các yếu tố ảnh hưởng.

2. Sai số điện áp dư của mô hình so với nguyên mẫu thực nghiệm thấp hơn 5%, cụ thể là 3,3%, thể hiện tính tương đồng cao giữa mô hình và thiết bị thực tế. Kết quả này được xác nhận qua so sánh dạng sóng và biên độ điện áp dư với dữ liệu catalogue và thử nghiệm trên hệ thống AXOS8.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và chiều dài dây kết nối được mô phỏng và đánh giá rõ ràng, cho thấy nhiệt độ môi trường tăng làm tăng điện áp dư và dòng điện qua MOV, trong khi chiều dài dây nối làm tăng điện cảm, ảnh hưởng đến điện áp dư. Số phần tử MOV mắc song song giúp phân chia dòng xung hiệu quả, giảm nguy cơ hư hỏng thiết bị.

4. Mô hình bổ sung vào thư viện Matlab như một công cụ mô phỏng hữu ích cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư và sinh viên trong việc nghiên cứu hành vi thiết bị triệt xung dưới tác động của xung sét lan truyền, đặc biệt trong điều kiện không thể đo thử thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sai số thấp trong mô hình là do việc tích hợp đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, chiều dài dây nối và số phần tử MOV, giúp mô phỏng sát với thực tế vận hành. So với các nghiên cứu trước đây chỉ xét đến đặc tính phi tuyến cơ bản, mô hình này có độ chính xác cao hơn nhờ xem xét các yếu tố môi trường và cấu trúc thiết bị.

Kết quả cũng phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế IEC 61643-1 và ANSI/IEEE C62.41 về thử nghiệm thiết bị triệt xung, đặc biệt trong việc đánh giá điện áp dư và dòng xung 8/20µs. Việc mô phỏng dạng sóng và biên độ điện áp dư qua mô hình có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng điện áp dư theo thời gian, so sánh với dữ liệu thực nghiệm, giúp trực quan hóa hiệu quả bảo vệ của thiết bị.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp công cụ mô phỏng chính xác, giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế, đồng thời hỗ trợ thiết kế và lựa chọn thiết bị triệt xung phù hợp cho hệ thống điện phân phối hạ áp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp đa yếu tố: Cần tiếp tục hoàn thiện mô hình thiết bị triệt xung bằng cách tích hợp thêm các yếu tố như tuổi thọ MOV, ảnh hưởng của tần suất xung sét và điều kiện môi trường phức tạp nhằm nâng cao độ chính xác và ứng dụng thực tế. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu và nhà phát triển phần mềm, timeline 1-2 năm.

2. Áp dụng mô hình trong thiết kế và lựa chọn thiết bị triệt xung: Các kỹ sư thiết kế hệ thống điện nên sử dụng mô hình để đánh giá hiệu quả bảo vệ và lựa chọn thiết bị phù hợp với điều kiện vận hành thực tế, đặc biệt trong các khu vực có tần suất sét cao. Timeline áp dụng ngay trong các dự án mới.

3. Tổ chức đào tạo và chuyển giao công nghệ: Đào tạo kỹ sư, sinh viên và nhà nghiên cứu về sử dụng mô hình Matlab trong nghiên cứu và thiết kế thiết bị triệt xung nhằm nâng cao năng lực chuyên môn và ứng dụng thực tế. Chủ thể thực hiện: các trường đại học và viện nghiên cứu, timeline 6-12 tháng.

4. Thực hiện các thử nghiệm thực tế bổ sung: Khuyến nghị tiến hành thêm các thử nghiệm thực tế với các loại thiết bị triệt xung đa dạng và trong các điều kiện môi trường khác nhau để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình, đảm bảo tính ứng dụng rộng rãi. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm và nhà sản xuất thiết bị, timeline 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết bị triệt xung và mô hình hóa thiết bị, hỗ trợ nghiên cứu và giảng dạy về bảo vệ hệ thống điện.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện: Công cụ mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả bảo vệ chống sét, lựa chọn thiết bị phù hợp, giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị và nâng cao độ tin cậy hệ thống.

3. Sinh viên ngành kỹ thuật điện và điện tử: Tài liệu tham khảo quý giá về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình hóa thiết bị triệt xung, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

4. Nhà sản xuất và phát triển thiết bị triệt xung: Tham khảo để cải tiến thiết kế sản phẩm, nâng cao độ chính xác mô hình và phát triển các giải pháp bảo vệ hiệu quả hơn.

Câu hỏi thường gặp

1. Thiết bị triệt xung MOV hoạt động như thế nào để bảo vệ hệ thống điện?
   MOV có đặc tính phi tuyến, khi điện áp vượt ngưỡng, điện trở giảm mạnh, cho phép dòng xung sét chạy qua và hấp thu năng lượng, từ đó giới hạn điện áp dư trên thiết bị được bảo vệ.

2. Tại sao cần mô hình hóa thiết bị triệt xung trong Matlab?
   Mô hình hóa giúp mô phỏng đáp ứng thiết bị dưới các điều kiện xung sét khác nhau, đánh giá hiệu quả bảo vệ mà không cần thử nghiệm thực tế tốn kém và nguy hiểm.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của thiết bị triệt xung như thế nào?
   Nhiệt độ cao làm tăng dòng rò và điện áp dư, có thể gây giảm tuổi thọ và hiệu quả bảo vệ của MOV, do đó mô hình cần tính đến yếu tố này để phản ánh chính xác.

4. Sai số điện áp dư trong mô hình có ý nghĩa gì?
   Sai số điện áp dư dưới 5% cho thấy mô hình mô phỏng gần sát với thực tế, đảm bảo độ tin cậy khi sử dụng mô hình để thiết kế và đánh giá thiết bị.

5. Làm thế nào để lựa chọn số phần tử MOV trong thiết bị triệt xung?
   Số phần tử MOV mắc song song được lựa chọn dựa trên dòng xung cực đại cần chịu đựng và độ dự trữ an toàn, nhằm phân chia dòng đều và tránh hư hỏng do quá tải.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình thiết bị triệt xung hạ áp trong Matlab, tích hợp các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, chiều dài dây nối và số phần tử MOV.
• Mô hình có sai số điện áp dư thấp nhất là 3,3%, đảm bảo tính chính xác và tương đồng cao với thiết bị thực nghiệm.
• Kết quả nghiên cứu bổ sung vào thư viện Matlab, cung cấp công cụ hữu ích cho nghiên cứu và thiết kế thiết bị triệt xung.
• Mô hình hỗ trợ đánh giá hiệu quả bảo vệ chống sét trong điều kiện không thể đo thử thực tế, góp phần nâng cao độ tin cậy hệ thống điện phân phối.
• Đề xuất phát triển mô hình đa yếu tố, áp dụng trong thiết kế, đào tạo và thử nghiệm thực tế để nâng cao hiệu quả bảo vệ và tuổi thọ thiết bị.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư áp dụng mô hình trong thiết kế và vận hành, đồng thời tiếp tục hoàn thiện mô hình để mở rộng ứng dụng trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRIỆT XUNG LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP Giới thiệu Hiện nay, các thiết bị điện tử ngày càng được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện. Các thiết bị điện tử này rất nhạy cảm với các hiện tượng quá áp có thể xuất hiện trong hệ thống điện phân phối xoay chiều [2]. Quá áp trong mạch điện xoay chiều có thể gây ra sự hư hỏng vĩnh cửu hay tạm thời của các phần tử điện – điện tử và hư hỏng kể cả hệ thống điện. Việc 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 nó sẽ giới hạn biên độ của quá áp bằng một trở kháng lớn nối tiếp hay bằng một trở kháng nhỏ mắc shunt.

Trong đó, quá áp quá độ là kết quả của sự phóng thích đột ngột năng lượng tồn tại trước đó từ các điều kiện tự nhiên như sét đánh hoặc điều kiện phát sinh từ việc đóng cắt tải có tính cảm hay việc phóng điện các điện cực. Các hư hỏng gây ra bởi hiện tượng quá áp phụ thuộc vào tần suất xuất hiện, giá trị đỉnh và dạng sóng của quá áp. Sóng quá điện áp có dạng sóng xung gia tăng đột ngột (do sét hay do các thao tác đóng cắt có tải trên lưới) và có khả năng gây hư hỏng các thiết bị, mạng máy tính, các thiết bị trong mạng viễn thông… mà trong vấn đề vận hành rất khó phát hiện, đặc biệt là các thiết bị điện tử rất nhạy cảm.1: Dạng sóng xung quá áp trên đường nguồn hạ áp (với thời gian ngắn 1ms) HVTH: Nguyễn Hà Giang Luan van Trang 5 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 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 biên độ xung sét lan truyền. Khái niệm về sét [2] Hầu hết các nguyên nhân gây ra quá áp đều có tính quá độ, chỉ kéo dài vài micro giây đến vài chu kỳ và có nguồn gốc từ hệ thống hay ngoài hệ thống.

Nguồn bên ngoài chủ yêu là dông sét, một hiện tượng khó dự đoán trước, tạo áp lực đối với các hệ thống. Các nguồn gốc bên trong chủ yếu do thao tác đóng cắt mạch điện và sự cố pha đất. Một nguồn phổ biến là đóng cắt cụm tụ điện nhưng những nguồn quá áp này ít gây ra áp lực cho thiết bị so với dông sét. Như vậy, mặc dù sóng xung có thể được phát sinh từ trong hệ thống (ví dụ do đóng cắt), nhưng rõ ràng dòng sét vẫn là nguyên nhân chính có nguy cơ gây ra quá áp có hại cho hệ thống.

Dông sét là nguồn gốc chính của quá áp có hại trên lưới phân phối, nó có thể được sinh ra do sét đánh trực tiếp hay do cảm ứng. Xung điện áp sinh ra có thể thay đổi từ tăng tương đối nhỏ đến lớn gấp mấy lần điện áp pha đất bình thường nếu cấp cách điện của hệ thống cho phép. Khi sét đánh vào đường dây, một vùng rộng lớn sẽ bị ảnh hưởng xung quanh vị trí sét đánh, vì điện áp vượt hơn mức cách điện định mức của đường dây và hồ quang của dòng sét sẽ chạy xuống đất ngay lập tức. Đồng thời, các sóng điện sét cảm ứng trên dây dẫn sẽ lan truyền đi dọc theo đường dây.

Những sóng điện sét này gồm hai thành phần: điện áp và dòng điện. Biên độ điện áp bằng biên độ dòng điện nhân với trở kháng sóng của đường dây, trị số này nhỏ hơn điện áp phóng điện hồ quang của cách điện hệ thống. Các xung này lan truyền trên đường dây trên không với tốc độ của ánh sáng. Càng nắm được các đặc tính của sét thì việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ càng hiệu quả.

Đây là một lĩnh vực mà các nhà khoa học đã có những bước nghiên cứu nhiều tiến triển và các kỹ sư thiết kế có thể phân những xung sét thành những dạng khác nhau dựa vào kích thước và phạm vi của xung quá điện áp. Một xung sét tiêu biểu có xung đầu sóng rất dốc, có nghĩa là điện áp của nó tăng với tỷ lệ cả triệu vôn trên một giây. Thực tế 15% các đỉnh của sét xảy ra dưới 1s. Xung đầu dốc được nối tiếp bởi một đuôi sóng ngắn, nghĩa là sau khi điện áp đạt đỉnh thì thời gian mà HVTH: Nguyễn Hà Giang Luan van Trang 6 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh sự cố điện áp đó giảm xuống còn một nửa giá trị điện áp đỉnh là trong khoảng thời gian.

Trong khi sét có điện áp vô cùng lớn thì dòng điện sét được đo đạt dựa trên ảnh hưởng của nó trên thiết bị. Các thiết bị nhạy sét như MOV sẽ cho dòng sét chạy qua. Thiết bị triệt xung MOV có vật mang dòng điện với điện trở giảm rất thấp trong thời gian sét xảy ra. Các thành phần chủ yếu về đặc tính bảo vệ chống sét được thể hiện qua dòng xung phóng điện.

Tần suất xuất hiện sét. 100% 80% Tần suất xuất hiện 60% 40% 20% 0% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Giá trị đỉnh dòng sét (kA) Hình 1.2: Quan hệ tần suất suất hiện sét theo biên độ  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. Các thông số và tiêu chuẩn chống sét lan truyền 1. Các thông số của sét lan truyền a. Các thông số ảnh hưởng Dòng điện sét như Hình 1.3 có dạng một sóng xung.

Trung bình trong khoảng vài ba micro giây, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó giảm chậm xuống khoảng 20-100𝜇𝑠, tạo nên phần đuôi sóng. HVTH: Nguyễn Hà Giang Luan van Trang 7 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 1.3: Dạng sóng dòng điện sét Sự lan truyền sóng điện từ tạo nên bởi dòng điện sét gây nên quá điện áp trong hệ thống điện, những tham số chủ yếu của nó bao gồm: - Biên độ dòng điện sét với xác suất xuất hiện của nó. - Độ dốc đầu sóng dòng điện sét. - Độ dài sóng dòng điện sét (thời gian cho đến khi dòng điện sét giảm xuống ½ biên độ của nó).

- Cực tính dòng điện sét. Ngoài ra, cần phải biết cường độ hoạt động trung bình của sét là số ngày có dông sét trung bình hoặc tổng số giờ có dông sét trung bình trong một năm ở mỗi khu vực lãnh thổ và mật độ trung bình sét trong khu vực đó, tức là số lần sét đánh vào một đơn vị diện tích bề mặt đất (1𝑘𝑚2 ) trong một ngày sét. Trên toàn bộ bề mặt quả đất trong mỗi giây xảy ra khoảng 100 lần phóng điện sét, tức mỗi ngày có khoảng 8-9 triệu lần sét đánh xuống mặt đất. Biên độ xung sét Biên độ dòng điện sét biến thiên trong phạm vi rất rộng, từ vài kA đến trên vài trăm kA, nhưng phần lớn thường dưới 50kA và rất hiếm vượt quá 100kA.

Bên cạnh năng lượng và dòng sét cao, vấn đề lớn cần quan tâm là tốc độ tăng dòng di/dt của sét có thể dẫn đến quá áp trên đường truyền. Dạng sóng của sét được đặc trưng bởi biên độ sóng, độ dốc đầu sóng và độ dài sóng. Biên độ xung sét lan truyền trên đường nguồn phụ thuộc vào vị trí công trình, mức độ lộ thiên của công trình và vị trí tương quan của công trình đối với các công HVTH: Nguyễn Hà Giang Luan van Trang 8 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh trình lân cận, mật độ sét tại khu vực cần bảo vệ và cấu trúc của đường dây tải điện trên không hay đi ngầm.4: Lựa chọn SPD theo mức độ lộ thiên của công trình 1. Các tiêu chuẩn liên quan - Tiêu chuẩn IEC 61643-1 Đây là tiêu chuẩn thiết bị triệt xung sử dụng trên mạng điện hạ áp – các yêu cầu và phương pháp thử nghiệm [4].

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. Một số định nghĩa sử dụng cho IEC 61643 o 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. o 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.

HVTH: Nguyễn Hà Giang Luan van Trang 9 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh o 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. o 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. o 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.

o 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 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). o 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.