Luận văn Luận văn Nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp

hử nghiệm phối hợp bảo vệ 2 tầng (SG1-MOV2) Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tại hai đầu cực của tải tiêu thụ như Hình 5.33, Hình 3.34. Hình 5.33. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng SG1-MOV2, xung dòng 20kA 8/20µs HU TE CH 104 Hình 5.34. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng SG1-MOV2, xung dòng 3kA 8/20µs 5.3.1.4. So sánh hiệu quả bảo vệ của 3 trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV, MOV1-MOV2 và SG1-MOV2 Biểu diễn điện áp thông qua tải tiêu thụ trên cùng một đồ thị khi thực hiện mô phỏng xung sét tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs như Hình 5.356. Hình 5.35. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 20kA 8/20µs HU TE CH 105 Biểu diễn điện áp thông qua tải tiêu thụ trên cùng một đồ thị khi thực hiện mô phỏng xung sét tiêu chuẩn 3kA 8/20µs như Hình 5.36. Hình 5.36. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 3kA 8/20µs Từ những kết quả mô phỏng trên, thu được bảng so sánh giá trị điện áp thông qua trong ba trường hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2, MOV1-MOV2 như Bảng 5.2. STT Xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai lệch giữa SG1 – MOV2 và TSG1 – MOV2 Sai lệch giữa MOV1 – MOV2 và TSG1 – MOV2 Ghi chú SG1 – MOV2 MOV1 – MOV2 TSG1 – MOV2 1 8/20s 20kA 99 0 94 8 555 44% 41% 2 8/20s 3kA 77 3 79 5 754 2% 5% Bảng 5.2. So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng Nhận xét: -Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1-MOV2 luôn thấp hơn điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng MOV1-MOV2 HU TE CH 106 và mô hình SG1-MOV1 khi thay đổi dòng xung sét. Do đó, mô hình TSG1- MOV2 bảo vệ hiệu quả hơn hai mô hình còn lại đối với bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp cho một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành. -Điện áp thông qua tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ trường hợp phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1-MOV2 là 555V, tăng 241% so với giá trị định mức trong khoảng thời gian 20µs. Tra vào đặt tuyến bảo vệ Hình 5.21, thấy rằng thiết bị cần bảo vệ đã nằm trong phạm vi bảo vệ, cho nên các thiết bị điện tử nhạy cảm sẽ được bảo vệ an toàn. Tuy nhiên đối với những tải có tính chất quan trọng thì việc phối hợp bảo vệ quá áp không chỉ dừng lại ở phối hợp bảo vệ 2 tầng mà còn phải phối hợp bảo vệ 3 tầng. 5.3.2. Phối hợp bảo vệ quá áp 3 tầng Mô hình thử nghiệm là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành.TBBV được đặt tại ba vị trí tương ứng với hợp bảo vệ ba tầng. TBBV ở tầng 1 (cat C) được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà, sử dụng thiết bị TSG. Thiết bị bảo vệ ở tầng 2 (Cat B) được đặt tại tủ phân phối phụ cách vị trí phân phối chính 10m, sử dụng thiết bị MOV – 8kA. Thiết bị bảo vệ tầng 3 (Cat A) được đặt tại tủ điều khiển tải tiêu thụ cách vị trí tủ phân phối phụ 10m, sử dụng thiết bị MOV 6.5kA. Vị trí điều khiển đặt thiết bị bảo vệ tầng 3 này cách tải tiêu thụ 10m. Dây dẫn trong tòa nhà có tiết diện 2.5mm2, r0 = 7.41Ω/km, x0 = 0.08 Ω/km. Thông số tải: Uđm = 230V, cosφ = 0.8, IL = 2A, p = 369W, Q = 276VAR. Hình 5.37. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 3 tầng (TSG1-MOV2-MOV3) HU TE CH 107 Khai báo thông số cho các phần tử trong mô hình như ở Hình 5.38, Hình 5.39 và Hình 5.40. Hình 5.38. Các thông số của TSG1 Hình 5.39. Các thông số của MOV2 Hình 5.40. Các thông số của MOV3 Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 5.41 và Hình 5.42. HU TE CH 108 Hình 5.41. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 3 tầng TSG1-MOV2-MOV3, xung dòng 20kA 8/20µs Hình 5.42. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 3 tầng TSG1-MOV2-MOV3, xung dòng 3kA 8/20µs HU TE CH 109 5.3.3. So sánh hiệu quả bảo vệ của 2 trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng và ba tầng Từ những kết quả mô phỏng trên thu được bảng so sánh giá trị điện áp thông qua trong hai trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2 và phối hợp bảo vệ 3 tầng TSG1-MOV2-MOV3 như Bảng 5.3. Stt Dạng sóng xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai leäch Ghi chuù TSG1-MOV2 TSG1-MOV2-MOV3 1 8/20s 20kA 555 506 12% 2 8/20s 3kA 754 729 5% Bảng 5.3. So sánh điện áp thông qua trong 2 trường hơp TSG1-MOV2 và TSG1-MOV2- MOV3 Nhận xét: -Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 3 tầng TSG1-MOV2-MOV3 luôn thấp hơn điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1- MOV2 khi thay đổi biên độ dòng xung sét. Do đó, mô hình phối hợp bảo vệ 3 tầng bảo vệ tốt hơn so với mô hình phối hợp bảo vệ 2 tầng. -Điện áp tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ trường hợp phối hợp bảo vệ quá áp 3 tầng TSG1-MOV2-MOV3 là 506V, tăng 220% so với giá trị định mức trong khoảng thời gian 20µs. Tra vào đặc tuyến bảo vệ Hình 5.21, thấy rằng thiết bị cần bảo vệ đã nằm trong phạm vi bảo vệ, cho nên các thiết bị điện tử nhạy cảm sẽ được bảo vệ an toàn. Trường hợp này có thể bảo vệ cho các thiết bị quan trọng. HU TE CH 110 5.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT Theo quan điểm của một số nhà sản xuất thiết bị chống sét thì có hai quan điểm về thiết bị lọc sét. Quan điểm thứ nhất cho rằng không cần sử dụng thiết bị lọc sét trong hệ thống bảo vệ sét của tòa nhà, bởi vì họ cho rằng cảm kháng trên đường dây trong tòa nhà có thể thay thế có thể thay thế cuộn cảm của thiết bị lọc sét. Do đó, chỉ cần sử dụng thiết bị cắt sét cho hệ thống bảo vệ của tòa nhà, không cần thiết bị lọc sét tại tải tiêu dùng. Quan điểm thứ hai cho rằng cần phải sử dụng thiết bị lọc sét cho hệ thống bảo vệ của tòa nhà, theo họ thì cảm kháng trên đường dây dẫn không đủ lớn để trở thành thiết bị lọc sét. Do đó phải sử dụng thiết bị lọc sét tại tải tiêu dùng. Để thấy được hiệu quả bảo vệ của thiết bị lọc sét, người thực hiện đã tiến hành lập mô hình mô phỏng hai truong hợp sau đây. 5.4.1. Trường hợp 1 (bảo vệ một tầng + thiết bị lọc sét) Mô hình thử nghiệm là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành. Thiết bị cắt sét được đặt tại một vị trí (Cat C) tại tủ phân phối chính ngay tại ngỏ vào tòa nhà, sử dụng thiết bị MOV – 25kA. Vị trí tiêu thụ đặt cách tủ phân phối chính 10m, dây dẫn trong tòa nhà có tiết diện 2.5mm2, r0 = 7.41Ω/km, x0 = 0.08 Ω/km. Thông số tải Uđm = 230V, cosφ = 0.8, IL = 2A. tính được P = 368W, Q = 276VAR. Sử dụng bộ lọc sét trong hai trường hợp: L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF và L = 150 µH, rL = 17m Ω, C = 50µF. Mô hình mô phỏng được xây dựng bằng phần mềm Matlab như Hình 5.43. HU TE CH 111 Hình 5.43. Mô hình phối hợp bảo vệ tầng một + bộ lọc sét Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µs trường hợp sử dụng bô lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF, thu được kết quả như Hình 5.44. Hình 5.44. Điện áp thông qua tải trong trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF với xung dòng 20kA 8/20µs Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µs trưởng hợp sử dụng bô lọc sét L = 150 µH, rL = 17m Ω, C = 50µF. Thu được kết quả như Hình 5.45. HU TE CH 112 Hình 5.45. Điện áp thông qua tải trong trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 150µH, rL = 17m Ω, C = 50µF với xung dòng 20kA 8/20µs Từ những kết quả mô phỏng trên, thu được bảng so sánh giá trị điện áp thông qua trong ba trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng không có bộ lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF và có bô lọc sét L = 150 µH, rL = 17m Ω, C = 50µF như Bảng 5.4. Xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 30µ H, rL=1.7m, C =50µF) Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét(L=150µH,rL= 17m, C =50µ F) Không có bộ lọc sét Có bộ lọc sét (L = 30µ H, rL=1.7m, C = 50µ F) Có bộ lọc sét (L = 150µ H, rL=17m, C = 50µ F) 8/20s 20kA 1389 911 417 34% 70% Bảng 5.4. So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ một tầng + bộ lọc sét Nhận xét: -Điện áp thông qua tại đầu cực tải tiêu thụ trong trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng sử dụng bộ lọc sét thấp hơn nhiều so với trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng không sử dụng bộ lọc sét. HU TE CH 113 -Trong trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng có sử dụng bô lọc có giá trị cảm kháng càng lớn thì khả năng lọc của bộ lọc càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp. Điện dung của tụ lọc trong thực tế thường là 50µF, muốn tăng khả năng lọc sét của bộ lọc thì phải tăng cảm kháng L, trong thực tế giá trị L= 15µH, 30 µH, 45 µH.Vì vậy, để an toàn cho thiết bị nhạy cảm, thì phải tăng cảm kháng L lên đáng kể, nhưng phải đảm bảo điện áp rơi trên L (∆UL = (ZL+ rL)I ≤ 3V). 5.4.2. Trường hợp 2 (phối hợp bảo vệ hai tầng + thiết bị lọc sét) Hình 5.46. Mô hình phối hợp bảo vệ hai tầng + bộ lọc sét Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µs trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF, thu được kết quả như Hình 5.47. HU TE CH 114 Hình 5.47. Điện áp thông qua tải trong trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF với xung dòng 20kA 8/20µs Thực hiện mô phỏng với xung dòng 20kA 8/20µs trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 150 µH, rL = 17m Ω, C = 50µF, thu được kết quả như Hình 5.48. Hình 5.48. Điện áp thông qua tải trong trường hợp sử dụng bộ lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF với xung dòng 20kA 8/20µs HU TE CH 115 Từ những kết quả mô phỏng trên, thu được bảng so sánh giá trị điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng không có bộ lọc sét, có bộ lọc sét L = 30µH, rL = 1.7m Ω, C = 50µF và có bộ lọc sét L = 150µH, rL = 17m Ω, C = 50µF như Bảng 5.5. Xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 30µ H, rL=1.7mΩ, C =50µ F) Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 150µ H, rL=17mΩ, C =50µ F) Không có bộ lọc sét Có bộ lọc sét (L = 30µ H, rL=1.7mΩ, C = 50µ F) Có bộ lọc sét (L = 150µ H, rL=17mΩ, C = 50µ F) 8/20 µs 20kA 942 734 343 22% 64% Bảng5.5.So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng có bộ lọc sét 5.5.NHẬN XÉT -Điện áp thông qua tại đầu cực tải tiêu thụ trong trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng sử dụng bộ lọc sét thấp hơn nhiều so với trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng không có sử dụng bộ lọc sét. -Trong trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng có sử dụng bộ lọc có giá trị cảm kháng càng lớn thì khả năng lọc của bộ lọc càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp. -Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng có sử dụng bộ lọc luôn thấp hơn trường hợp bảo vệ một tầng có sử dụng bộ lọc sét khi mà giá trị của bộ lọc sét thay đổi. HU TE CH 116 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 6.1 KẾT LUẬN Luận văn đã đi sâu nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlab. Mô hình thử nghiệm mà người thực hiện chọn để mô phỏng là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành với những xung sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp có dạng sóng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs. Từ việc phân tích và đánh giá những kết quả mô phỏng, rút ra được các yếu tố ảnh hưởng sau đây: 1.Ảnh hưởng của công nghệ chống sét  Đối với những tòa nhà nằm trong khu vực nội thành mà chỉ sử dụng một TBBV tại vị trí tủ phân phối chính để bảo vệ tòa nhà thì việc sử dụng TBBV với công nghệ MOV là an toàn nhất vì nó có điện áp thông qua tải tiêu thụ là nhỏ nhất.  Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp TBBV sử dụng công nghệ MOV vào khoảng 1390V thấp hơn nhiều so với điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp TBBV sử dụng công nghệ TSG (khoảng 1556V) và điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp TBBV sử dụng công nghệ SG (khoảng 3715kV). Điện áp thông qua này đủ để bảo vệ các hệ thống điện cơ, hệ thống lạnh, hệ thống chiếu sáng. Tuy nhiên, đối với hệ thống thiết bị điện tử viễn thông, hệ thống máy tính, PLC thì với điện áp dư này vẫn có thể làm hư hỏng thiết bị. 2.Ảnh hưởng của sự phối hợp bảo vệ của các thiết bị chống quá áp  Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1 – MOV2 luôn thấp hơn điện áp thông qua tải HU TE CH 117 tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng MOV1 – MOV2 và SG1 – MOV2 khi thay đổi biên độ dòng xung sét từ 3kA lên đến 20kA. Do đó, mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng (TSG1 – MOV2) bảo vệ hiệu quả hơn mô hình phối hợp bảo vệ 2 tầng MOV1 – MOV2 và SG1 – MOV2.  Điện áp thông qua tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ trường hợp phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1 – MOV2 là 555V, điện áp này đủ để bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm. Tuy nhiên, đối với những tải có tính chất quan trọng thì việc phối hợp bảo vệ quá áp không chỉ dừng lại ở phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng mà còn cần phải phối hợp bảo vệ 3 tầng.  Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 3 tầng TSG1 – MOV2 – MOV3 luôn thấp hơn điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TSG1 –MOV2 khi thay đổi biên độ do xung sét. Do đó, mô hình phối hợp bảo vệ 3 tầng bảo vệ tốt hơn so với mô hình phối hợp bảo vệ 2 tầng. 3.Ảnh hưởng của thiết bị lọc sét  Đường dây cũng có khả năng lọc sét nhưng khả năng lọc sét của đường dây không thể bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm. Khi không sử dụng thiết bị lọc sét thì điện áp thông qua tải rất cao gây hư hỏng thiết bị điện, nhất là các thiết bị điện tử nhạy cảm. Khi sử dụng thiết bị lọc sét thì điện áp thông qua tại đầu cực tải tiêu thụ giảm đáng kể.  Điện dung của bộ lọc trong thực tế thường là 50µF, muốn tăng khả năng lọc sét của bộ lọc thì phải tăng cảm kháng L, trong thực tế giá trị L = 13µH, 30 µH, 45 µH. Vì vậy để an toàn cho thiết bị nhạy cảm, thì phải tăng cảm kháng lên đáng kể, nhưng phải đảm bảo điện áp rơi trên L(∆UL = (ZL+rL).I 3V). HU TE CH 118  Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp phối hợp bảo về tầng có sử dụng bộ lọc sét luôn thấp hơn trường hợp bảo vệ 1 tầng có sử dụng bộ lọc sét khi cho giá trị điện cảm của bộ lọc sét thay đổi. Kết quả nghiên cứu sẽ giúp cho người sử dụng có thể lựa chọn phương án bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp truyền trên đường nguồn hạ áp hợp lý nhất, đảm bảo những yêu cầu cả về kinh tế lẫn kỹ thuật. 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trong những điều kiện cho phép đề tài có thể phát triển theo các hướng sau: + Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp đối với những công trình nằm trong khu vực trống trãi, khu vực ngoại thành. + Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệu. HU TE CH 119 Tài Liệu Tham Khảo 1. Đỗ Quang Đạo – Luận văn Thạc sĩ – Nghiên cứu và mô phỏng ảnh hưởng của quá áp do sét trên đường nguồn hạ áp – 2006. 2. Lê Quốc Dân – Ban Viễn Thông, Phạm Hồng Mai–TTTTBĐ – Chống sét cho mạng viễn thông Việt Nam – Những điều bất cập. 3. Nguyễn Cao Cường – Luận văn Thạc sĩ – Nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng hệ thống bảo vệ quá điện áp trên đường nguồn hạ áp – 2005. 4. Mai Thanh Sơn – Luận văn Thạc sĩ – So sánh hiệu quả bảo vệ quá điện áp 2 tầng & 3 tầng trên đường nguồn hạ áp – 2008. 5. Nguyễn Hoàng Minh Vũ – Luận văn Thạc sĩ – Lập mô hình mô phỏng các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét hiện đại trên đường cấp nguồn hạ áp và đường tín hiệu – 2003. 6. TS. Quyền Huy Ánh – Bảo vệ chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn và tín hiệu – Tạp Chí Khoa Học Công Nghệ. 7. TS. Quyền Huy Ánh – Chỉ tiêu đánh giá thiết bị chống xung quá áp – Tập san Sư Phạm Kỹ Thuật số 11. 8. TS. Quyền Huy Ánh – Khe phóng điện tự kích – TSG (Trigger Spark Gap) – Tập san Sư Phạm Kỹ Thuật số 13. 9. TS. Quyền Huy Ánh – Phân tích công nghệ MOV và SAD trong bảo vệ chống sét lan truyền – Tạp Chí Bưu chính Viễn Thông. 10.TS. Quyền Huy Ánh – Thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn – Tạp Chí Bưu chính Viễn Thông. 11.TS. Quyền Huy Ánh – Thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn theo công nghệ TDS – Tạp Chí Bưu chính Viễn Thông. 12.TCN 68 – 135: 1995 Chống sét bảo vệ các công trình viễn thông. 13.TCN 68 – 140: 1995 Chống quá áp, quá dòng để bảo vệ đường dây và thiết bị thông tin. 14.TCN 68 – 174: 1998 Quy phạm chống sét và tiếp đất cho các công trình Viễn Thông. 15.TS. Nguyễn Văn Dũng, TS. Bùi Thanh Giang, KS. Nguyễn Thị Tâm, KS. Nguyễn Minh Tuấn, KS. Vũ Hồng Sơn, KS. Đinh Hải Đăng – Sét và chống sét bảo vệ công trình Viễn thông – Nhà xuất bản Bưu điện – 2001. 16.Arshad Mansoor, Francois D. Martzloff – Driving high surge currents into long cable: more begete less – IEEE – 1997. 17.CCITT – The protection of telecomm lines & equipment against lightning discharges, Chapter 1, 2– 1974. 18. CEI/IEC 61643:1998–02 Norme internationale – international standard Surge protective devices connected to low–voltage power distribution systems – Part 1: Performance requirements and testing method. 19.Dr. Bonnell – Physiscal Property of Ceramic _ Zinc Oxide Varistor 1995. 20.GLT overview of surge arrester co–ordination for lighting protection of low voltage power circuit – Global Lighting Technologies Ltd. 21.How to select the best value surge & transeint protection for your mains equiment, Warwich Beech – Erico Lighting Technologies Ltd HU TE CH 120 22. IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low–Voltage AC Power Circuits, ANSI/IEEE Std. C62.41–1991. 23. IEEE W.G 3.4.11 Modeling of metal oxide surge arrester – IEEE 1992. 24. Jinliang He, Zhiyong Yuan, Jing Xu, Shuiming Chen, Jun Zou, and Rong Zeng – Evaluation of the Effective Protection Distance of Low–Voltage SPD to Equipment – 2005. 25. L.A Kraff – Modeling Lighting Performance of Transmission System Using Pspice, IEEE – 1991. 26. Littelfuse Varistors – Basic properties terminology and theory –AN9767.1– 1999. 27.Manfrad Holzer, Willi Zapsky – Simulation varistor with Pspice. 28. P. M. Wherrett, C. J. Kossmann and J. R. Gumley – New techniques for designing surge protection devices, Erico Lightning Technologies Hobart, Australia. 29. P. Pinceti, M. Giannettoni, A simplified model for zinc oxid surge arrester,IEEE – 1999. 30.Phisical properties of zinc oxide varistors, ABB Power Technology Products. 31. Roger C. Dugan, Mark F. McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beauty – Electrical Power Systems Quality – McGraw–Hill – Chapter 4 – 2003. 32. Roy B.Carpenter, Dr. Yinggang Tu – The secondary effects of lighting activity, Lighting Eliminators and Consultants, USA. 33. S. G. Fedosin, A. S. Kim – The physical theory of ball lightning, Perm State University, Perm, Russia 34.Surge Protection Products – Erico Lighting Technologies Ltd. 35. Technical Note – TNCR 001,002,015 – Erico Lighting Technologies Ltd. 36. Trainsient Voltage Suppression maual, Third Edition – General Electric Company – 1982, USA – Marvin W.Smith, Michael D. McCormick. 37. Transeint voltage suppressor diodes – Semitron Company. 38. Transeint voltage surge suppression design and correlation, Marcus O. Durham, Karen D. Durham, Robert A. Durham – Member IEEE 39. Zinc oxide varistor – AVX A Kyocera Group Company Siemens Matsushita Components– Metal OxideVaristor–Data Book – 1997. 40.Một số trang web: www.abb.com; www.avx.com; www.littelfuse.com; www.PScad.com; HU TE CH CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Cán bộ chấm nhận xét 1 :... Cán bộ chấm nhận xét 2 :... Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM ngày 22 tháng 04 năm 2012 Thành ph ần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ h ọ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. PGS TS Phan Th ị Thanh Bình – chủ tịch hội đồng 2. PGS TS Trần Thu Hà - ủy viên 3. TS Nguyễn Thanh Phương - ủy viên – thư ký hội đồng 4. TS Ngô Cao Cường – Phản biện 1 5. TS Huỳnh Châu Duy – Phản biện 2 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Khoa quản lý chuyên ngành HU TE CH 1 NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP STUDY, MODEL AND SIMULATE LOW VOLTAGE SURGE PROTECTORS Nguyễn Hoàng Minh; Quyền Huy Ánh* Khoa điện – điện tử, Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM, Việt nam * Khoa Điện-Điện Tử, Trường ĐH sư phạm kỹ thuật Tp.HCM TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu mô hình nguồn phát xung sét , mô hình biến trở kim loại, mô hình khe hở phóng điện không khí, mô hình khe hở phóng điện tự kích và thông số điện áp thông qua để mô phỏng, so sánh, đánh giá từ đó rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp nhằm tối ưu hóa các tính năng bảo vệ và nâng cao độ tin cậy trong quá trình vận hành. Các yếu tố ảnh hưởng này bao gồm: công nghệ chống sét, sự lựa chọn phối hợp bảo vệ của các thiết bị bảo vệ (TBBV) và đánh giá hiệu quả bảo vệ của các thiết bị lọc sét. ABSTRACT This thesis study lightning impulse generators models, metal oxide varistor model, air gap discharge model, the triggered discharge gap model and let through voltage which are simulated, compared, and evaluated drawn from that evaluation factors affecting the effective lightning protection on low voltage source to optimize the security features and enhanced reliability during operation. These factors that influence include: lightning protection technology, the choice to coordinate protection of the protective equipment and evaluate the protective effect of lightning I. GIỚI THIỆU Hiện nay, v iệc lựa chọn TBBV có hiệu quả bảo vệ cao ở mức ít tốn kém nhất, thường gặp nhiều khó khăn vì các nhà sản xuất thường cung cấp các thông tin liên quan đến ưu điểm về sản phẩm mà không đề cập đến các nhược điểm. Vì vậy cần nhận biết và đánh giá các tính năng kỹ thuật quan trọng nhất và loại bỏ các thông tin không quan trọng. Các thông số kỹ thuật được xem xét để đánh giá TBBV bao gồm: mức chịu quá áp lâu dài, điện áp thông qua, giá trị xung, tuổi thọ, tốc độ đáp ứng, khả năng tản năng lượng sét, công nghệ. Trong các thông số trên, thông số điện áp thông qua là quan trọng nhất. Luận văn này dựa vào thông số điện áp thông qua nhằm đánh giá, so sánh khả năng bảo vệ của các TBBV. II. NỘ I D U N G filtering devices. 1. Tổng quan về chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp 1.1 Tần suất xuất hiện sét 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.Quan hệ tần suất xuất hiện sét theo biên độ 1.2. Dạng xung sét Dạng xung sét phụ thuộc vào cách thức sét tác động vào đường dây tải điện hay đường tín hiệu. 1.3. Dạng sóng 10/35µs và 8/20µs Dạng sóng 10/35µs 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 HU TE CH 2 kim thu sét trên đỉnh công trình. Dạng sóng 8/20µs là xung sét lan truyền do sét cảm ứng trên đường dây. Dạng sóng 10/350 µs được biểu diễn trong Hình 2. Hình 2. Dạng sóng 10/350µs Dạng sóng 8/20µs được biểu diễn trong Hình 3. . Hình 3. Dạng sóng 8/20µs 2. Mô hình nguồn phát xung 2.1. Xây dựng mô hình nguồn phát xung 2.1.1. Các dạng xung không chu kỳ chuẩn Các xung không chu kỳ chuẩn gồm xung dòng điện và xung điện áp là những dạng xung cơ bản rất cần thiết cho việc thử nghiệm các thiết bị bảo vệ quá áp cũng như thử nghiệm cách điện của các thiết bị điện. Dạng sóng của các xung này được trình bày trong Hình 4. Hình 4. Dạng sóng xung không chu kỳ chuẩn 2.2. Xây dựng mô hình nguồn phát xung 2.2.1. Mô phỏng nguồn phát xung dòng Hình 5. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng Nhập các thông số nguồn xung dòng như Hình 6. Hình 6. Các thông số nguồn xung dòng Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µs biên độ 20kA thu được kết quả như Hình 7. Hình 7. Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 20kA Thực hiện mô phỏng với xung dòng 8/20µs biên độ 3kA thu được kết quả như Hình 8. Hình 8. Dạng sóng nguồn xung dòng 8/20µs biên độ 3kA 2.2.2. Mô phỏng nguồn phát xung áp Hình 9. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp Thực hiện mô phỏng với xung áp 1,2/50 µs biên độ 5kV thu được kết quả như Hình 10. HU TE CH 3 Hình 10. Dạng sóng nguôn xung áp 1,2/50 µs biên độ 5kV 2.3. Kết luận Từ các kết quả mô phỏng các nguồn xung cho thấy đáp ứng dạng sóng của mô hình phủ hợp với các thông số yêu cầu, việc sử dụng mô hình rất dễ dàng và là công cụ không thể thiếu trong việc cung cấp nguồn xung để khảo sát đáp ứng của các thiết bị bảo vệ chống sét. 3. Mô hình biến trở Oxide kim loại 3.1. Mô hình MOV của Matlab Hình 11. Biểu tượng mô hình MOV trong chương trình Matlab Mô hình MOV của Matlab là một điện trở phi tuyến. Đặc tuyến phi tuyến V-I của MOV được thành lâp bởi ba đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ: 1 i i ref ref V Ik V I α  =      Hộp thoại và các thông số cần khai báo như hình 3.2. Hình 12. Hộp thoại của mô hình MOV trong Matlab 3.2. Mô hình MOV hạ thế trên Matlab Sử dụng Simulink trong Matlab xây dựng mô hình MOV hạ thế hoàn chỉnh như Hình 13. Hình 13. Mô hình MOV hạ thế Với R1= 100nΩ, R2 3.3. Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với mô hình xung dòng 8/20µs = 100MΩ, L và C có giá trị khác nhau ứng với từng loại MOV khác nhau. Sử dụng mô hình xung dòng 8/20µs kiểm tra đáp ứng của mô hình MOV hạ thế vừa xây dựng như sơ đồ hình 14. Hình 14. Sở đồ mô phỏng đáp ứng của MOV hạ thế Sử dụng mô hình mô phỏng cho MOV hạ thế của hãng Siemen loại S20K275, B32K275, B40K275 Sử dụng mô hình mô phỏng MOV hạ thế của hãng AVX loại VE13M0275 0K (đường kính đĩa MOV 10mm), và loại VE17M02750K (đường kính đĩa MOV 14mm) 3.4. Kết luận Qua các kết qủa tổng hợp từ việc mô phỏng đáp ứng của mô hình MOV hạ thế so sánh với các loại MOV của các nhà sản xuất khác nhau, nhận thấy mô hình MOV hạ thế xây dựng đã đạy mức sai số khá tốt (sai số điện áp dư trên mô hình MOV so với dữ liệu Catalogue được cho bởi nhà sản xuất có giá trị tối đa là 4,9%) và thông số nhập vào lại khá đơn giản, được cung cấp bởi nhà sản xuất. bên cạnh đó, người sử dụng còn có khả năng cập nhật thêm các giá trị cho mô hình khi cần mô phỏng. 4. Mô hình khe hở phóng điện không khí Trong tất cả các mô hình của thiết bảo vệ quá áp trên đường nguồn, xây dựng mô hình khe hở phóng điện là một vấn đề rất khó khăn do phải tích hợp cả cơ cấu phóng điện và quá trình phóng điện vào quá trình mô phỏng để tái hiện đáp ứng thật của khe hở phóng điện. Việc mô phỏng các phần tử có độ phi tuyến rất cao như khe hở phóng điện, gây ra một số vấn đề về hội tụ ngay cả khi sử dụng phần mềm Pspice, MATLAB. Trong nội du ng của luận văn này chỉ xem xét các khe hở phóng điện trong miền thời gian. HU TE CH 4 4.1. Mô hình khe hở phóng điện không khí Spark Gap 4.1.1. Mô phỏng mô hình Spark Gap Sơ đồ mô phỏng Spark Gap với nguồn xung áp như Hình 15. Hình 15. Sơ đồ mạch mô phỏng Spark Gap với nguồn xung áp Tiến hành mô phỏng với một Spark Gap của hãng EPCOS loại SSG3X -1 có điện áp đánh thủng là 3000V và thời gian trễ là 50ns. Sử dụng nguồn xung áp 1.2/50µs có biên độ là 5kV Kết quả mô phỏng như Hình 16. Hình 16 .Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker = 3kA với xung áp 1.2/50µs 5kV Tiếp tục thử nghiệm mô phỏng với Spark Gap DGP B255 của hãng DEHN có điện áp đánh thủng 3000V và thời gian trễ là 50ns. Sử dụng nguồn xung áp 1.2/50µs có biên độ là 10kV. Kết quả mô phỏng như Hình 17 Hình 17. Đáp ứng của Spark Gap có Vbreaker 4.1.2. Mô hình Triggered Spark Gap = 3kV với xung áp 10/700µs 10kV Triggered Spark Gap là mô hình tiên tiến hơn so với với mô hình Spark Gap truyền thống, yêu cầu cơ bản đặt ra khi xây dựng mô hình là cấp điện áp bảo vệ < 1,5kV, đối với nguồn xung sét có biên độ lớn (20kA) điện áp phóng điện khe hở < 2kV. Mô phỏng mô hình Triggered Spark Gap Hình 18. Sơ đồ mạch mô phỏng đáp ứng của chống sét TSG Thực hiên mô phỏng cho chống sét loại 1 130- 2S_ERICO với xung dòng 8/20µs 3kA, thu được kết quả như Hình 19. Hình 19. Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 8/20µs 3kA - Đáp ứng của khe hở: Umax = 1260V < Up Tiếp tục thử nghiệm cho chống sét của hãng SCHITEC loại S-100, U (1500). p < 2kA, t < 100ns. Thực hiện mô phỏng với xung dòng 10/350µs 3kA, thu được kết quả như Hình 20. Hình 20. đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 10/3350µs 3kA -Đáp ứng của khe hở: Umax = 1632V < Up. Thực hiện mô phỏng với xung dòng 10/350µs 3kA, thu được kết quả như Hình 21. HU TE CH 5 Hình 21. Đáp ứng của mô hình TSG với xung 10/350µs 10kA Nhận xét: Đáp ứng của mô hình đạt yêu cầu bảo vệ và đạt độ rộng của xung áp đặt trên khe hở thay đổi tùy thuộc vào công suất của nguồn xung sét. 5. Các yếu tố ảnh hưởngđến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp Phần này nghiên cứu về hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp dựa vào thông số điện áp thông qua để so sánh hiệu bảo của các công nghệ chống sét lan truyền và thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab. 5.1. Công nghệ chống sét 5.1.1. TBBV sử dụng công nghệ SG Hình 22. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ SG Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 23. Hình 23. Dạng sóng xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs Hình 24. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng SG, xung dòng 20kA 8/20µs Thực hiện mô phỏng với nguồn xung tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 25. Hình 25. Dạng xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs Hình 26. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng SG, xung dòng 3kA 8/20µs 5.1.2.TBBV sử dụng công nghệ TSG Hình 27. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ TSG Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 28. HU TE CH 6 Hình 28. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng TSG, xung dòng 20kA 8/20µs Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 29. Hình 29. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng TSG, xung dòng 3kA 8/20µs 5.1.3. TBBV sử dụng công nghệ MOV Hình 30. Mô hình thử nghiệm sử dụng công nghệ MOV Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 31. Hình 31. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng MOV, xung dòng 20kA 8/20µs Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 32. Hình 32. Điện áp thông qua tải trường hợp sử dụng MOV, xung dòng 3kA 8/20µs Biểu diễn điện áp thông qua tải tiêu thụ trên cùng đồ thị khi thực hiện mô phỏng xung sét tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs như Hình 5.12 và Hình 33. Hình 33. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 20kA 8/20µs Hình 34. Điện áp thông qua tải trường hợp xung dòng 3kA 8/20µs Từ những kết quả mô phỏng trên, thu được bảng so sánh giá trị điện áp thông qua trong ba trường hợp TBBV sử dụng công nghệ SG, TSG, MOV như Bảng 1. STT Xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai lệch giữa SG và MOV Sai lệch giữa TSG và MOV Ghi chú SG TSG MOV 1 8/20µs 20kA 3715 1556 1390 63% 11% 2 8/20µs 3kA 3073 1516 913 70% 40% Bảng 1. So sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp SG, TSG, MOV HU TE CH 7 Nhận xét: -Điện áp thông qua trong cả ba trường hợp sử dụng SG, TSG, MOV điều tăng khi tăng theo biên độ của xung sét, cụ thể là: -Điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng MOV luôn thấp hơn điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng SG và TSG khi biên độ xung sét thay đổi. -Đối với những tòa nhà ở khu vực nội thành những cú sét cảm ứng lan truyền thì nếu sử dụng một TBBV đặt tại ngõ vào tòa nhà thì sử dụng thiết bị bảo vệ với công nghệ MOV là tốt nhất. 5.2. Phối hợp bảo vệ quá áp 5.2.1. phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng Trường hợp 1: TBBV tầng 1 sử dụng TSG, tâng 2 sử dụng MOV Hình 35. Mô hình thử nghiệm phân phối bảo vệ 2 tầng (TSG1 – MOV2) Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 36. Hình 36. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2 Xung dòng 20kA 8/20µs Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 37. Hình 37. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng TSG1-MOV2, xung dòng 3kA 8/20µs Trường hợp 2: TBBV tâng 1 sử dụng MOV, tầng 2 sử dụng MOV2 Hình 38. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 2 tầng (MOV1-MOV2) Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tải tiêu thụ như Hình 39, Hình 40. Hình 39. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng MOV2-MOV2 xung dòng 20kA 8/20µs Hình 40. Điện áp thông qua tải trường hợp phới hợp bảo vệ 2 tầng MOV1-MOV2 xung dòng 3kA 8/20µs Trường hợp 3: TBBV tầng 1 sử dụng SG, tầng 2 sử dụng MOV Hình 41. Mô hình thử nghiệm phối hợp bảo vệ 2 tầng (SG1-MOV2) Thực hiện mô phỏng với nguồn xung dòng tiêu chuẩn 20kA 8/20µs và 3kA 8/20µs, thu được kết quả điện áp thông qua tại hai đầu cực của tải tiêu thụ như Hình 42, Hình 43. HU TE CH 8 Hình 42. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng SG1-MOV2, xung dòng 20kA 8/20µs Hình 43. Điện áp thông qua tải trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng SG1-MOV2, xung dòng 3kA 8/20µs 5.3. Nhận xét - Điện áp thông qua tại đầu cực tải tiêu thụ trong trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng sử dụng bộ lọc sét thấp hơn nhiều so với trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng không có sử dụng bộ lọc sét. - Trong trường hợp bảo vệ quá áp hai tầng có sử dụng bộ lọc có giá trị cảm kháng càng lớn thì khả năng lọc của bộ lọc càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp. - Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng có sử dụng bộ lọc luôn thấp hơn trường hợp bảo vệ một tầng có sử dụng bộ lọc sét khi mà giá trị của bộ lọc sét thay đổi. III. KẾT LUẬN Luận văn đi sâu nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlap. Từ việc phân tích và đánh giá những kết quả mô phỏng, rút ra được các yếu tố ảnh hưởng sau đây: 1. Việc đặt TBBV sử dụng công nghệ SG, TSG hoặc MOV tại vị trí tủ phân phối chính để bảo vệ toàn bộ tòa nhà thì có thể bảo vệ hệ thống cơ đện, hệ thống chiếu sáng, hệ thống lạnh nhưng không thể bảo vệ những thiết bị điện tử nhạy cảm. 2. Phối hợp bảo vệ quá áp hai tầng với TBBV tầng một sử dụng công nghệ TSG và TBBV tầng hai sử dụng công nghệ MOV có thể bảo vệ cho những thiết bị điện tử nhạy cảm. 3. Muốn bảo vệ cho những thiết bị điện tử nhạy cảm mang tính chất quan trọng thì sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp ba tầng hoặc phối hợp giữa thiết bị cắt sét và thiết bị lọc sét. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. C.Basso, ”Spark Gap Modeling”, Intusof Newsletter, September 1997. [2]. Mai Thanh Sơn – Luận văn thạc sĩ – So sánh hiệu quả bảo vệ quá điện áp hai tầng và ba tầng trên đường nguồn hạ áp – 2009. [3]. Nguyễn Hoàng Minh Vũ – Luận văn Thạc sĩ – Lập mô hình mô phỏng các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét hiện đại trên đường cấp nguồn hạ áp và đường tín hiệu – 2003. [4]. Quyền Huy Ánh – Mô hình thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp – Tạp chí khoa học và công nghệ - 2003. [5]. Quyền Huy Ánh – Khe phóng điện tự kích – TSG (Trigger Spark Gap) – Tập san Sư Phạm Kỹ Thuật số 13. [6]. Trần Tùng Giang – Luận văn Thạc sĩ – Xây dựng mô hình máy phát xung hổn hợp và biến trở phi tuyến hạ áp – 2003. [7]. Phạm Phong Vũ – Luận văn thạc sĩ – Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp – 2009. HU TE CH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM  Học viên thực hiện:  KS. NGUYỄN HOÀNG MINH Tp. HCM, ngày 22/04/2012 BÁO CÁO LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. QUY ỀN HUY ÁNH NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP HU TE CH LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ở Việt Nam hiện nay, đối với việc lắp đặt hệ thống chống sét lan truyền thì thật là khó khăn để đề ra một phương án bảo vệ hiệu quả với chi phí hợp lý vì có quá nhiều công nghệ, nhiều thiết bị với những thông số và những tính năng khác nhau. Do đó việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp là điều cần thiết nhằm đưa ra những giải pháp chống sét lan truyền hiệu quả và những khuyến cáo hợp lý cho từng trường hợp cụ thể. HU TE CH NỘI DUNG TRÌNH BÀY 1. Giới thiệu tổng quan. 2. Xây dựng mô hình các phần tử cần sử dụng để thực hiện các thử nghiệm trong luận văn: Mô hình nguồn phát xung sét Mô hình biến trở oxide kim loại MOV Mô hình khe hở phóng điện không khí SG Mô hình khe hở phóng điện tự kích TSG 3. Tiến hành các thử nghiệm và rút ra các yếu tố ảnh hưởng đến bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp.(đây cũng là điểm mới của luận văn) 4. Kết luận. HU TE CH 1.1. XUNG QUÁ ÁP LÀ GÌ? Xung quá áp là hiện tượng điện áp gia tăng đột ngột (do sét hay do các thao tác đóng cắt có tải trên lưới điện) trong thời gian rất ngắn. Xung sét Xung đóng cắt 230V - 50 Hz Điện áp: 230V 8000V trong 140µs 460V trong 10s TỔNG QUAN Quá áp t ức thời Quá áp t ạm thời HU TE CH 1.2. CÁC DẠNG XUNG SÉT TIÊU CHUẨN Dạng sóng 10/350µs TỔNG QUAN Dạng sóng 8/20µs HU TE CH 1.3. PHÂN VÙNG BẢO VỆ TỔNG QUAN HU TE CH 1.4. CÔNG NGHỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN Công nghệ khe hở phóng điện không khí SG (Spark Gap) Công nghệ khe hở phóng điện tự kích TSG (Triggered Spark Gap) Công nghệ biến trở oxide kim loại MOV (Metal Oxide Varistor) TỔNG QUAN HU TE CH 2.1.MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT )()( btat eeIti −− −= )()( btat eeUtu −− −= Phương trình xung dòng điện và điện áp chuẩn có dạng: XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ Dạng sóng xung bao gồm tổng hai thành phần Ie-at và –Ie-bt Dạng xung không chu kỳ chuẩn bao gồm xung dòng điện và xung điện áp: HU TE CH Các giá trị I, a, b được xác định từ các giá trị I1, t1, t2 thông qua các đường cong chuẩn sau: Đường cong xác định tỉ số b/a Đường cong xác định tỉ số at1 Đường cong xác định tỉ số I1/I b/a = 2,859e-005(t2/t1)4 – 0,004598. (t2/t1)3 + 0,2502.(t2/t1)2 + 3,914.(t2/t1) – 9,286 at1=[4,5352. (b/a)2 – 4,644. (b/a) + 22,45)] / [1. (b/a)3 + 8,66. (b/a)2 – 20,37. (b/a) + 39,65] I1/I = [0,9925. (b/a)3 – 3,255. (b/a)2 + 1,809. (b/a) + 2,935] / [1. (b/a)3 + 1,353. (b/a)2 – 16,02. (b/a) +24,51] Sử dụng công cụ Curve Fitting trong Matlap tìm mối quan hệ giữa các biến số như sau: 2.1.MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ HU TE CH Sơ đồ khối nguồn phát xung sét trong Matlab: Biểu tượng 2.1.MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ HU TE CH Kết quả mô phỏng nguồn xung sét tiêu chuẩn: Dạng sóng xung dòng 20kA8/20µs Dạng sóng xung dòng 3kA8/20µs Dạng sóng xung áp 5kV 1.2/50µs Dạng sóng xung áp 5kV 10/700µs ⇒ Đáp ứng dạng sóng của mô hình phù hợp với các thông số yêu cầu. 2.1. MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG SÉT XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ HU TE CH 2.2. MÔ HÌNH BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI MOV Mô hình MOV hạ thế xây dựng dựa trên mô hình MOV của Manfred Holzer và Willi Zapsky Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V=f(I): Rs=100nΩ, Rp=100MΩ Ls, Cp có giá trị khác nhau cho từng loại MOV khác nhau Phần tử điện trở phi tuyến có đặc tính V-I theo phương trình: log(I) log(I)[b1 b2 log(I) b3e b4e ]V (1 TOL /100)x10 − + + + = + XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ HU TE CH Đoạn chương trình truy xuất các giá trị Ls, Cp, b1, b2, b3, b4 Biểu tượng XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ 2.2. MÔ HÌNH BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI MOV HU TE CH Thông số kỹ thuật MOV hạ thế của hãng Siemens: Loại Điện áp làm việc AC max (V) Dòng điện xung 8/20µs max (kA crest) Sai số của điện áp MOV (%) Điện áp phóng điện max với xung 8/20µs (V crest) 5kA 10kA S20K275 275 8 10 1110 - B32K275 275 25 10 1000 1150 B40K275 275 40 10 960 1100 Từ kết quả mô phỏng nhận thấy rằng đáp ứng của mô hình MOV hạ thế đạt mức sai số rất nhỏ so với các loại MOV của các nhà sản xuất khác nhau. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ 2.2. MÔ HÌNH BIẾN TRỞ OXIDE KIM LOẠI MOV HU TE CH Sơ đồ khối SG đề nghị dựa trên mô hình SG của Larsson Rarc SC R1 P2 p1 V( t) Sơ đồ khối SG trên Matlab Sơ đồ khối điều khiển Biểu tượng SG Sơ đồ mạch mô phỏng XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ 2.3. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN KHÔNG KHÍ SG HU TE CH Thực hiện mô phỏng với một Spark Gap của hãng EPCOS loại SSG3X-1 có điện áp đánh thủng là 3000V và thời gian trễ là 50ns. Thực hiện mô phỏng với Spark Gap DGP B255 của hãng DEHN có điện áp đánh thủng 3000V và thời gian trễ là 50ns. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ 2.3. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN KHÔNG KHÍ SG HU TE CH Đáp ứng của SG với nguồn xung dòng 5kA 8/20µs, điện áp đánh thủng 3000V, thời gian trễ 30ns. Đáp ứng của SG với nguồn xung dòng 3kA 10/350µs, điện áp đánh thủng 3000V, thời gian trễ 30ns. Từ kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng của mô hình khe hở phóng điện SG đạt yêu cầu bảo vệ và theo đúng yêu cầu của nhà sản xuất. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ 2.3. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN KHÔNG KHÍ SG HU TE CH 2.4. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN TỰ KÍCH TSG Sơ đồ khối TSG Sơ đồ khối điều khiển Sơ đồ khối điện trở phi tuyến XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ HU TE CH Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của TSG Khai báo thông số của TSG Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 3kA 8/20µs Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 20kA 8/20µs Đáp ứng của mô hình TSG với xung dòng 10kA 10/350µs Từ kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng của mô hình TSG đạt yêu cầu bảo vệ và theo đúng yêu cầu nhà sản xuất. 2.4. MÔ HÌNH KHE HỞ PHÓNG ĐIỆN TỰ KÍCH TSG XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ HU TE CH TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 3.1. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN (TBBV) Mô hình thử nghiệm là một tòa nhà nằm trong khu vực nội thành. TBBV được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà (Cat C) lần lượt sử dụng các công nghệ SG, TSG và MOV. Vị trí tủ phân phối chính cách tải tiêu thụ 10m. Xung dòng 20kA 8/20µs Xung dòng 3kA 8/20µs Mô hình thử nghiệm HU TE CH Bảng so sánh điện áp thông qua trong ba trường hợp SG, TSG, MOV STT Xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai lệch giữa SG và MOV Sai lệch giữa TSG và MOVSG TSG MOV 1 20kA 8/20µs 3715 1556 1390 63% 11% 2 3kA 8/20µs 3073 1516 913 70% 40% Nhận xét: Điện áp thông qua trong cả ba trường hợp sử dụng SG, TSG và MOV đều tăng khi tăng biên độ của xung sét. Điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng MOV luôn thấp hơn điện áp thông qua trong trường hợp sử dụng SG và TSG khi biên độ xung sét thay đổi. 3.1. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN (TBBV) TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HU TE CH Đường bao đặc tính điện áp đối với thiết bị điện tử nhạy cảm Điện áp thông qua tại đầu cực thiết bị cần bảo vệ trường hợp sử dụng công nghệ MOV là 1390V, tăng 504% so với giá trị định mức trong khoảng thời gian 0,04 µs. 3.1.CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN (TBBV) TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Điện áp thông qua này đủ để bảo vệ hệ thống cơ điện, hệ thống chiếu sáng, điện lạnh. Tuy nhiên đối với những thiết bị điện tử nhạy cảm thì cần phải có phương án bảo vệ an toàn hơn. Phương án đề ra là phối hợp bảo vệ quá áp giữa các thiết bị chống quá áp hoặc phối hợp với thiết bị lọc sét. HU TE CH 3.2. PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP HAI TẦNG TBBV ở tầng 1 (Cat C) được đặt tại tủ phân phối chính ngay tại ngõ vào tòa nhà, sử dụng thiết bị TSG hoặc SG. TBBV ở tầng 2 (Cat B) được đặt tại tủ phân phối phụ cách vị trí tủ phân phối chính 10m, sử dụng thiết bị MOV. Vị trí tủ phân phối phụ đặt TBBV tầng 2 này cách tải tiêu thụ 10m. Xung dòng 20kA 8/20µs Xung dòng 3kA 8/20µs Mô hình phối hợp bảo vệ quá áp hai tầng TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HU TE CH Bảng so sánh phối hợp bảo vệ hai tầng Nhận xét: Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp sử dụng mô hình phối hợp bảo vệ quá áp 2 tầng TH3 luôn thấp hơn TH1 và TH2 khi thay đổi biên độ dòng xung sét. Điện áp thông qua có thể bảo vệ cho thiết bị điện tự nhạy cảm. Tuy nhiên đối với những tải có tính chất quan trọng thì việc phối hợp bảo vệ quá áp không chỉ dừng lại ở phối hợp bảo vệ 2 tầng mà còn cần phải phối hợp bảo vệ 3 tầng. STT Xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai lệch giữa (TH1) và (TH3) Sai lệch giữa (TH2) và (TH3)SG1 – MOV2 (TH1) MOV1 – MOV2 (TH2) TSG1 – MOV2 (TH3) 1 20kA 8/20µs 990 948 555 44% 41% 2 3kA 8/20µs 773 795 754 2% 5% 3.2. PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP HAI TẦNG TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HU TE CH Điện áp thông qua tải với xung dòng 20kA 8/20µs Stt Dạng sóng xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai lệch TSG1-MOV2 TSG1-MOV2-MOV3 1 20kA 8/20µs 555 506 12% 2 3kA 8/20µs 754 729 5% Mô hình phối hợp bảo vệ ba tầng (TSG1-MOV2-MOV3) 3.3. PHỐI HỢP BẢO VỆ QUÁ ÁP BA TẦNG Bảng so sánh hiệu quả bảo vệ giữa phối hợp bảo vệ hai tầng và ba tầng TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HU TE CH 3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT (SRF) Sử dụng SRF trong hai trường hợp: L = 30µH, rL=1.7mΩ, C = 50µF và L = 150µH, rL=17mΩ, C = 50µF. Mô hình phối hợp giữa thiết bị cắt sét 1 tầng và SRF L = 30µH, rL=1.7mΩ, C = 50µF L = 150µH, rL=17mΩ, C = 50µF SRF TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HU TE CH Bảng so sánh điện áp thông qua tải tiêu thụ Xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 30µH) Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 150µH) Không có bộ lọc sét Có bộ lọc sét (L = 30µH) Có bộ lọc sét (L = 150µH) 8/20µs 20kA 1389 911 417 34% 70% Nhận xét: Điện áp thông qua trong trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng sử dụng bộ lọc sét thấp hơn nhiều so với trường hợp bảo vệ quá áp 1 tầng không sử dụng bộ lọc sét. Giá trị cảm kháng của bộ lọc càng lớn thì khả năng lọc sét càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp . Tuy nhiên phải đảm bảo điện áp rơi trên L nằm trong phạm vi cho phép (∆UL = (ZL + rL).I ≤ 3V). 3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT (SRF) TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HU TE CH Mô hình phối hợp thiết bị cắt sét 2 tầng với SRF L = 30µH, rL=1.7mΩ, C = 50µF L = 150µH, rL=17mΩ, C = 50µF SRF 3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT (SRF) TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HU TE CH Bảng so sánh điện áp thông qua tải tiêu thụ Xung sét tiêu chuẩn Điện áp thông qua (V) Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 30µH) Sai lệch giữa không có bộ lọc sét và có bộ lọc sét (L = 150µH) Không có bộ lọc sét Có bộ lọc sét (L = 30µH) Có bộ lọc sét (L = 150µH) 8/20µs 20kA 942 734 343 22% 64% Nhận xét: Giá trị cảm kháng của bộ lọc càng lớn thì khả năng lọc sét càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp. Điện áp thông qua tải tiêu thụ trong trường hợp phối hợp bảo vệ 2 tầng có sử dụng bộ lọc luôn thấp hơn trường hợp bảo vệ 1 tầng có sử dụng bộ lọc sét khi cho giá trị của bộ lọc sét thay đổi. 3.4.ẢNH HƯỞNG CỦA THIẾT BỊ LỌC SÉT (SRF) TIẾN HÀNH CÁC THỬ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG HU TE CH 4. KẾT LUẬN 1. Ảnh hưởng của công nghệ chế tạo thiết bị chống sét lan truyền. Với việc chỉ sử dụng công nghệ MOV ở ngõ vào tòa nhà nằm trong khu vực nội thành, điện áp thông qua tải tiêu thụ giảm đi 63% so với trường hợp sử dụng SG và 11% so với trường hợp sử dụng TSG . Từ việc phân tích và đánh giá những kết quả mô phỏng, rút ra được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp sau đây: 2. Ảnh hưởng của sự lựa chọn phối hợp bảo vệ quá áp. Với việc lựa chọn phối hợp bảo vệ hai tầng TSG1-MOV2, điện áp thông qua tải tiêu thụ giảm đi 44% so với trường hợp SG1-MOV2 và 41% so với trường hợp MOV1-MOV2. Với việc lựa chọn phối hợp bảo vệ ba tầng TSG1-MOV2-MOV3, điện áp thông qua tải tiêu thụ giảm đi 12% so với trường hợp phối hợp bảo vệ hai tầng TSG1-MOV2. HU TE CH 3. Ảnh hưởng của thiết bị lọc sét Với việc sử dụng thiết bị lọc sét cho giá trị điện áp thông qua tải giảm đi đáng kể. Điện áp này có thể bảo vệ cho tất cả các hệ thống kể cả những thiết bị điện tử nhạy cảm có tính chất quan trọng. Giá trị cảm kháng của bộ lọc càng lớn thì khả năng lọc sét càng lớn và điện áp thông qua tải tiêu thụ càng thấp. Tuy nhiên chọn giá trị của cảm kháng sao cho độ sụt áp trên L nằm trong phạm vi cho phép (nhỏ hơn 3V). KẾT LUẬN HU TE CH Chân thành cảm ơn !