Nghiên ứu giải pháp hống sét ho á đối tượng thuộ khu vự nhà điều khiển ủa trạm biến áp

Việc nghiên cứu đề tài này có mục đích nh sau:- Đánh giá đợc hiệu quả của hệ thống bảo vệ quá áp trên lới điện trung áp và ảnh hởng của sét lên mạch cung cấp nguồn cho các thiết bị t

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT CHO CÁC ĐỐ I TƯ Ợ NG THUỘC KHU VỰC NHÀ ĐIỀ U KHI N C A TR M BI N ÁP Ể Ủ Ạ Ế

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ TH NG ĐI N Ố Ệ

Hà Nội, 2008

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT CHO CÁC ĐỐ I TƯ Ợ NG THUỘC KHU VỰC NHÀ ĐIỀ U KHI N C A TR M BI N ÁP Ể Ủ Ạ Ế

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH HỆ TH NG ĐI N Ố Ệ

NGƯ I HƯ Ờ Ớ NG DẪN:

TS NGUYỄN LÂN TRÁNG

Hà Nội, 2008

MụC LụC

Mở đầu 2

CHƯƠNG 1 5

nhà điều khiển trạm biến áp trong hệ thống truyền tải điện Việt Nam 5

1.1 Kết cấu xây dựng của nhà điều khiển 5

1.2 Phòng phân phối trung áp 6

1.3 Phòng thiết bị điều khiển 6

1.3.1 Bố trí chung của phòng thiết bị điều khiển 6

1.3.2 Tủ phân phối điện xoay chiều hạ áp (tự dùng) 7

1.3.3 Tủ điều khiển điện 1 chiều 7

1.3.4 Hệ thống điều khiển của trạm biến áp truyền tải 8

1.4 Phần thiết bị viễn thông 10

1.5 Một số đánh giá chung về các thiết bị trong hệ thống điều khiển trạm biến áp hiện nay trong hệ thống điện Việt Nam 10

CHƯƠNG 2 13

Phân tích nguyên lý phát sinh và tác hại của xung quá điện áp do sét tác động đến các thiết bị ở nhà điều khiển 13

2.1 Phân tích một số loại xung quá điện áp 13

2.1.1 Xung quá điện áp chuyển tiếp 13

2.1.2 Nguyên nhân sinh ra quá điện áp xung 15

2.2 Điểm qua một số kiến thức về sét 16

2.3 Phân tích các nguyên nhân dẫn đến quá điện áp xung làm h hỏng thiết bị nhà điều khiển và phòng thiết bị thông tin viễn thông 21

2.3.1 Kết nối dạng điện trở 21

2.3.2 Kết nối cảm ứng 24

2.3.3 Kết nối điện dung 24

2.3.4 ảnh hởng của sét lên mạch cung cấp nguồn cho thiết bị trong nhà điều khiển và thiết bị phòng thông tin viễn thông 24

2.3.4 ảnh hởng của sét qua hệ thống tiếp đất 26

2.4 Hậu quả do tác động của quá điện áp xung do sét đến các thiết bị nhà điều khiển và thiết bị viễn thông 30

2.5 Sự bảo vệ có cần thiết hay không 32

CHƯƠNG 3 34

sử dụng mô hình nguồn phát xung sét chuẩn và mô hình chống sét van trung áp để đánh giá ảnh hởng của sét trên đờng nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp lên đờng dây trung áp 34

3.1 Mô hình nguồn phát xung sét chuẩn 34

3.1.1 Xung sét quy định theo tiêu chuẩn đối với thử nghiệm bằng dòng điện

xung sét: 34

3.1.2 Mụ hỡnh ngu n phỏt xung sột chu n xõy dồ ẩ ựng trong mụi trư ng Matlab.ờ 35

3.1.3 Tớnh toỏn cỏc thụng s cho mụ hỡnhố 39

3.1.4 Chạy mụ ph ng mụ hỡnh nguỏ ồn phỏt xung dũng đi n sột chuẩn cho ệ dũng điện sột chu n cú dạng súng ẩ 10kA_10/350μs 41

3.2 Mụ hỡnh ch ng sột van trung ỏp MV_ MOVố 44

3.2.1 Mụ hỡnh sử ụ d ng 44

3.2.2 Phương phỏp xỏc định cỏc thụng số 44

3.2.3 Mụ hỡnh cỏc ph n t phi tuy n Aầ ử ế 0 và A1 45

3.2.4 Mụ hỡnh ch ng sột van trung tố h ế hoàn chỉnh 47

3.2.5 Thực hiện mụ hỡnh mụ phỏng cho chống sột van c a cỏc hóng trờn thủ ế giới 48

3.3 Khảo sát hiện tợng quá điện áp trên đờng nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp tới đờng dây trung áp 52

3.3.1 Mụ phỏng hệ ố th ng bảo vệ quỏ ỏp do sột lan truyền trờn đường dõy 52

3.3.2 Mụ hỡnh hệ ố th ng b o vả ệ quỏ ỏp 53

4.3 Đỏnh giỏ hiệu quả ả b o vệ ủ c a van chống sột trung ỏp 56

CHƯƠNG 4 59

Đề XUấT giải PHáP ChốNG ảNH HƯởNG CủA XUNG QUá ĐIệN áP DO SéT TáC ĐộNG ĐếN CáC THIếT Bị TRONG NHà ĐIềU KHIểN 59

4.1 Chống các xung quá điện áp bằng phơng pháp đi dây, nối đất 59

4.1.1 Biện pháp đi dây cáp các loại 59

4.1.2 Biện pháp liên quan tới nối đất 60

4.2 Chống xung quá điện áp do sét cho các thiết bị bằng thiết bị chống sét 63 4.2.1 Giải pháp chống xung quá điện áp 63

4.2.2 Cách lựa chọn thiết bị chống xung quá điện áp do sét 64

4.2.3 Một số điểm quan trọng khi lắp đặt thiết bị chống xung quá áp 71

4.3 Mức đầu t về bảo vệ chống xung quá điện áp 75

Kết luận 77

TàI LIệU THAM KHảO 79

Giới thiệu một số trang web liên quan 80

một số từ viết tắt trong đề tài 80 MộT Số PHụ LụC

Phụ lục 1: Thông số kỹ thuật của một số MOV trung thế

Phụ lục 2: Một số thiết bị chống sét lan truyền

Phụ lục 3: Một số hình ảnh khảo sát thực tế

Phụ lục 4: Hệ thống cấp điện tự dùng cho TBA 110kV Can lộc

Mở đầu

Trong những năm qua Tập đoàn Điện Lực Việt Nam rất quan tâm đến lĩnh vực nghiên cứu chống sét Đã có một số đề tài nghiên cứu khoa học đề cập tới nhiều mặt trong lĩnh vực này, nhng các tài liệu đó chủ yếu quan tâm nhiều tới nội dung chống sét cho hệ thống điện nh đờng dây và trạm biến áp (TBA) Trên thế giới vấn đề nghiên cứu chống sét tác động vào các đối tợng của nhà điều khiển TBA rất đợc chú ý quan tâm Qua nghiên cứu này rút ra

đợc những ý nghĩa cần thiết nh: có những nội dung tởng chừng nh không quan trọng nhng lại có vai trò lớn trong bảo vệ chống sét nhất là với những

đối tợng cần bảo vệ nhạy cảm với các xung quá điện áp nh các thiết bị điện

tử, thông tin viễn thông

Hiện nay ở Việt Nam cha có tài liệu chuyên về chủ đề chống sét cho

đối tợng là nhà điều khiển TBA Các quy phạm, tiêu chuẩn của Việt Nam về lĩnh vực này cha cập nhật, bổ xung những nội dung mới cho phù hợp với tình hình phát triển chung của công nghệ trên thế giới Việc nghiên cứu đề tài này

có mục đích nh sau:

- Đánh giá đợc hiệu quả của hệ thống bảo vệ quá áp trên lới điện trung áp và ảnh hởng của sét lên mạch cung cấp nguồn cho các thiết bị trong nhà điều khiển qua hệ thống mô phỏng mô hình nguồn phát xung sét chuẩn và mô hình chống sét van trung áp để từ đó đề xuất giải pháp chống sét cho các thiết bị điện tử và thiết bị thông tin trong nhà điều khiển

- Hoàn thành một tài liệu có thể dùng để tham khảo trong quá trình thiết

kế các dự án

Thông tin chung và qua khảo sát ở một số trạm biến áp cho thấy thực tế cha có nhiều hiện tợng h hỏng đợc xác định gắn với hiện tợng sét xong cũng có một số sự cố h hỏng ở các thiết bị điều khiển, tự động hoá các trạm

điện, nhà máy điện thuộc EVN quản lý nhng việc xác định nguyên nhân gặp nhiều khó khăn Nhiều ý kiến cho rằng có những sự cố gắn với nguyên nhân

do quá điện áp thiên nhiên Việc này hoàn toàn có lý khi mà các thiết bị đang

đợc nâng cấp chuyển sang thế hệ dùng các mạch tích hợp (IC), các chíp vi xử

lý mật độ cao ngày càng nhiều Những thế hệ thiết bị mới này tuy có những tính năng rất u việt song lại có nhợc điểm là mức chịu quá điện áp rất thấp

Các thiết bị thế hệ cũ có khả năng chịu đợc những xung quá điện áp mà thế

hệ mới có thể dễ dàng bị phá hủy Trong phụ lục 3, ảnh P4.6 có ghi lại sự kiện lúc 23g30 phút tại TBA 220kV-Việt Trì có hiện tợng sét đánh làm lỗi đờng truyền từ rơ le vào máy tính làm hệ thống bị cô lập không điều khiển đợc Để chống quá điện áp cho thiết bị hiệu quả cần phải có đầu t nghiên cứu các biện pháp tổng hợp nh nối đất, lắp đặt các thiết bị chống sét mới, đi dây cáp…

Em xin chân thành cảm ơn về sự hớng dẫn tận tình của thầy hớng dẫn

PGS.TS Nguyễn Lân Tráng, các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện- trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội, cùng bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ em trong quá trình hoàn thiện bản luận văn này Tuy nhiên, do thời gian hạn chế, nhiệm vụ nghiên cứu có liên quan đến nhiều vấn đề đòi hỏi một vốn kiến thức rộng và một lợng thông tin rất lớn trong lĩnh vực hệ thống điện và hệ thống thông tin nên mặc dù đã hết sức cố gắng, song chắc chắn em không tránh khỏi những sai sót Em mong muốn và chân thành cảm ơn mọi góp ý nhận xét của thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp

CHƯƠNG 1 nhà điều khiển trạm biến áp trong hệ thống truyền

tải điện Việt Nam

Để có căn cứ xem xét ảnh hởng của các xung sét đến các thiết bị điện

tử trong nhà điều khiển trạm biến áp, ở đây ta đi xem xét cấu tạo các thành phần cơ bản của nhà điều hành làm căn cứ cho việc nghiên cứu chống sét cho các thiết bị

1.1 Kết cấu xây dựng của nhà điều khiển

Nhà điều khiển trạm biến áp của các trạm truyền tải 110kV, 220kV nói chung thờng là loại nhà 1 tầng, có diện tích khoảng 20 x 25m, và tùy theo quy mô công suất và số lợng máy biến áp, số lộ tới và lộ ra có thể có nhà

đợc xây dựng đến diện tích 500m2 Trong nhà thờng có các phòng: phòng

đặt thiết bị điều khiển, phòng đặt thiết bị phân phối, phòng cquy, phòng trực anhân viên, phòng kho Tùy theo nhu cầu và thực tế dạng thiết bị mà các phòng có diện tích khác nhau Đối với các trạm hiện đang dùng thiết bị cũ của Liên Xô có kích thớc lớn thì chiếm diện tích nhiều, với các trạm mới xây dựng gần đây chủ yếu là các thiết bị thế hệ mới dạng số hoá với các công nghệ cao có độ chiếm dụng không gian nhỏ thì hiện nay đợc bố trí trong khuôn viên gọn nhỏ

Một số nhà điều hành có thể là nhà 2 tầng hoặc hơn nh nhà điều hành trạm biến áp 220 - 110kV Thái Nguyên

Các nhà điều khiển hiện nay đợc thiết kế nằm trong khuôn viên mặt bằng chung của trạm Phần xây dựng đợc chống sét trực tiếp bằng hệ thống chống sét chung của trạm Phạm vi bảo vệ của các hệ thống chống sét này

đợc các kỹ s thiết kế trạm tính toán theo tiêu chuẩn ngành xây dựng Với các trạm do Việt Nam và Liên Xô thiết kế thờng tính theo tiêu chuẩn chống sét cho công trình của Bộ Xây dựng: TCXD 46-84 Đây là bộ tiêu chuẩn thực

tế đợc soạn thảo từ bộ tiêu chuẩn chống sét cho các công trình xây dựng của Liên Xô trong thập niên 1960 Với trạm đợc các tổ chức t vấn nớc ngoài thiết kế nh trạm 500kV Hoà Bình, Phú Lâm, Hà Tĩnh thì đợc tính theo các tiêu chuẩn chống sét của các tổ chức quốc tế nh bộ tiêu chuẩn chống sét cho các công trình xây dựng: IEC 61024; NPA 780; BS 61024

Phần hệ thống nối đất của nhà trạm nói chung đợc thiết kế gắn liền với tổng thể mạng nối đất của trạm biến áp.

1.2 Phòng phân phối trung áp

Các tủ điện phân phối thờng ở các cấp điện áp trung nh: 35kV; 22kV; 10kV; 6kV Các lộ ra trung áp cấp đi các tuyến trung thế, các khu công nghiệp hoặc các phụ tải cao áp nh các nhà xởng, động cơ dùng điện áp cao Nh vậy phòng phân phối trung áp gồm các tủ phân phối, các thiết bị đóng cắt chuyển mạch, các thiết bị bảo vệ, thiết bị phụ khác Các đờng cáp điện lực vào ra các tủ phân phối thờng đợc đi ngầm theo các mơng cáp bằng bê tông cốt thép hoặc xây bằng gạch xi măng Các cáp đặt trên các giá chuyên dụng Phòng phân phối thờng đợc xây dựng chung với nhà điều khiển và có hình dạng, quy mô, theo nhu cầu của từng hộ phụ tải và quy hoạch tơng lai Với các trạm biến áp truyền tải cho các hộ bình thờng thì phòng phân phối thờng ít lộ ra nhng với các trạm biến áp của các nhà máy lớn nh cán thép,

xi măng, nhà máy lọc dầu, hóa chất thì thờng có nhiều lộ ra cung cấp cho các hộ phụ tải chuyên dùng Các trạm này có phòng phân phối lớn và nhiều

đờng, mơng cáp điện lực, cáp điều khiển

1.3 Phòng thiết bị điều khiển

1.3.1 Bố trí chung của phòng thiết bị điều khiển

Gồm nhiều tủ chứa các thiết bị điều khiển, đo đếm, chỉ thị các thông số của hệ thống điện Thờng phòng điều khiển của các trạm điện 110kV, 220kV

có công suất trung bình và nhỏ có ít lộ đến và đi, ít máy biến áp thì phòng bố , trí các tủ điều khiển, các tủ đo đếm công tơ, tủ viễn thông, tủ phân phối điện xoay chiều, tự dùng một chiều chung trong một phòng Một số nhà điều khiển của trạm có số lợng biến áp lớn, nhiều ngăn lộ thì có thể sẽ bố trí riêng nh có phòng chứa thiết bị điều khiển, phòng thiết bị phân phối, phòng viễn thông v.v Tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam cũng nhiều loại nhà điều khiển có

bố trí khác nhau phụ thuộc vào điều kiện địa hình, mức độ diện tích cho phép

và cả ý đồ thẩm mỹ riêng của nguời thiết kế Nhng tất cả đều có một khuôn mẫu chung là các tủ lắp thiết bị đều bằng tôn khung sắt bố trí trên mặt bằng nhà trạm có các mơng cáp ngầm Các cáp cấp nguồn và cáp tín hiệu thu nhận,

điều khiển đều đợc bố trí chạy trong mơng cáp đó Một số nhà điều khiển

2 tầng (ví dụ nh nhà điều khiển của trạm biến áp 110 – 220kV Thái Nguyên)

1.3.2 Tủ p p phhhhhân ân ân p p phhhhhốốốốốiiiii đ đ điiiiiện ện x ện xoooooay x ay ay c chhhhhiiiiiều c ều ều h h hạ ạ ạ áp áp áp (t (tự d (t ự d ự dùùùùùnnnnnggggg)))))

Thờng ở các trạm điện có 2 máy biếp áp tự dùng đợc lấy từ 2 nguồn trung thế khác nhau mục đích để tăng cờng an toàn cung cấp điện Các nhu cầu dùng điện của toàn trạm đợc lấy từ các máy biến áp này Tủ phân phối xoay chiều có nhiệm vụ phân phối cho các hộ phụ tải điện tự dùng của trạm Các phụ tải tự dùng ở trạm bao gồm: máy nạp cquy, ánh sáng trong và ngoài atrạm, các thiết bị sử dụng điện xoay chiều hạ áp trong hệ thống tự động điều khiển, các thiết bị dân dụng phục vụ nhân viên Các máy biến áp tự dùng thờng đợc bố trí trên mặt bằng gần nhà trạm điều khiển, có thể đợc đặt trên mặt đất, một số đợc bố trí

trên giá sắt Các cáp điện lực

trung áp và hạ áp đều đợc bố trí

đi ngầm trong hào cáp Các điều

kiện nối đất đợc thực hiện theo

quy định chung của quy phạm

ngành Tủ điều khiển phân phối

xoay chiều có nhiệm vụ điều

khiển việc cấp điện cho các phụ

tải yêu cầu của trạm Hình 1-1 là

sơ đồ tự dùng trạm biến áp 110

kV Gò Đầm – Thái Nguyên

1.3.3 Tủ

1.3.3 Tủ đ đ điiiiiều ều k ều k khhhhhiiiiiển ển ển đ đ điiiiiện ện ện 1 1 1 ccccchhhhhiiiiiều ều ều

Trong trạm có nhiều phụ tải dùng điện một chiều nh chiếu sáng sự cố, mạch cấp điện cho các động cơ máy cắt, cấp điện cho các tủ điều khiển, các thiết bị đo lờng, thiết bị viễn thông Thờng các trạm đều đợc trạng bị ít nhất là 2 bộ acquy và 2 tủ thiết bị nạp acquy Cáp nguồn của các bộ nạp đợc lấy từ nguồn phân phối xoay chiều tại trạm Các cáp cấp điện cho bộ nạp và các cáp cấp nguồn 1 chiều đi các phụ tải cũng đợc bố trí đi trong các mơng cáp

Hình 1- - 1 Sơ đồ điện tự dùng trạm biến áp 110 kV Gò Đầm

nhiệt độ, tần số điện áp nguồn, công suất các loại

- Các thiết bị điều khiển đóng cắt: máy cắt cao áp các lộ, máy cắt phân đoạn,

đóng cắt các thiết bị khác ra khỏi mạng cao áp, đóng cắt tiếp đất

- Các thiết bị đo lờng công suất tiêu thụ

- Các thiết bị rơle bảo vệ máy biến áp, rơle bảo vệ đờng dây

Hiện nay với các trạm 220kV trở lên và ở một số trạm 110kV cũng

đã lắp đặt và vận hành hệ thống SCADA/EMS/DMS Đây là hệ thống hiện đại dùng trong công tác tự động hóa, giám sát, điều khiển từ xa Các thiết bị hầu hết ở thế hệ kỹ thuật số Các đờng truyền chủ yếu là dùng qua mạng nội bộ, mạng viễn thông Điện lực, mạng viễn thông của ngành viễn thông Nh vậy việc giao tiếp của thiết bị với nhau là rất phong phú Nhng cũng vì vậy khả năng tiếp xúc với các nguồn quá điện áp cũng lớn và việc nghiên cứu chống các tác động này càng trở lên cần thiết

Các thiết bị trong nhà điều khiển đợc liên kết với nhau và với các thiết

bị khác trong trạm bằng các dây cáp điện điều khiển và đều đợc đi trong các mơng cáp nội bộ trong trạm và nhà điều khiển Tùy theo quy mô của từng trạm mà mức độ thiết bị có khác nhau nhng nói chung số lợng cáp tham gia

hệ thống điều khiển là rất lớn

ở đây luận văn trình bày tóm lợc quy mô và yêu cầu chung của hệ thống điều khiển tích hợp trạm biến áp làm căn cứ cho các đề xuất giải pháp chống sét cho các thiết bị điện tử, thiết bị kỹ thuật số và thiết bị thông tin trong nhà điều khiển trạm biến áp trạm biến áp

Quy mô của hệ thống tích hợp

Hệ thống tích hợp trạm trên cơ sở một hệ thống máy tính đợc sử dụng

để tập hợp các hệ thống hoạt động độc lập, chẳng hạn nh hệ thống SCADA, thông tin liên lạc, rơ le bảo vệ, điều khiển thiết bị điện, đo lờng, báo sự cố,

điều khiển tự động hệ thống phân phối, đa vào một hệ thống lu trữ dữ liệu,

điều khiển và giám sát thống nhất trong trạm Hệ thống tích hợp trạm sẽ đa

ra một khuôn khổ chung tạo điều kiện cho việc phối hợp hoạt động giữa các thiết bị điện tử thông minh (IEDs), thiết bị cơ điện, hiện tại và tơng lai nhằm làm cho hệ thống điều khiển và giám sát trong các trạm của Tập đoàn Điện lực Việt Nam hiệu quả hơn, tiết kiệm hơn

Sự tích hợp trong quy định này là sự giao diện với các thiết bị ngoài trạm và các thiết bị điện tử thông minh (IEDs) cho phép liên kết mạng và trao

đổi ữ liệu giữa các hệ thống, giữa những ngời sử dụng trong vàd ngoài trạm.Xét trên diện rộng, các thiết bị đặt ngoài trạm và các thiết bị điện tử thông minh có thể đợc lắp đặt tại các nhà máy điện, trong trạm, mặt bằng ngoài trạm, các đờng dây truyền tải, các lộ phân phối hoặc tại các giao diện với khách hàng

Hệ thống tích hợp trạm bao gồm các phần chính sau đây:

1 Bộ xử lý chủ (trung tâm) tại trạm: đây là giao diện liên lạc trung tâm

và khối xử lý của hệ thống tích hợp Bộ xử lý tại trạm hoạt động nh là bộ xử

lý chủ tại chỗ để lu trữ dữ liệu, tính toán, điều khiển, hiện diện các thông tin

về trạm dới các khuôn dạng khác nhau trên giao diện của ngời sử dụng tại chỗ (UI), cất giữ các thông tin cho công việc phân tích trong tơng lai và lu giữ các bản ghi

2 Mạng cục bộ tại trạm (LAN): LAN tạo ra sự liên lạc giữa các phần tử của hệ thống tích hợp và các thiết bị điện tử thông minh IEDs

3 Các giao diện của hệ thống liên lạc: giao diện với các thiết bị IEDs

của trạm nhằm dịch các thủ tục IEDs sang thủ tục chung của LAN phục vụ các dịch vụ truy nhập Giao diện với hệ thống SCADA/EMS hiện hữu và hệ thống MINI SCADA của lới phân phối (nếu có) Hệ thống tích hợp trao đổi thông tin với các hệ thống bên ngoài và ngời sử dụng từ xa Trợ giúp các

dạng giao diện khác nhau khi mở rộng hệ thống tích hợp tới các lộ phân phối hoặc tại các trạm khách hàng nhỏ hơn

4 Giao diện với ngời sử dụng: cho phép ngời vận hành truy nhập, phát triển và bảo dỡng hệ thống dữ liệu và thực hiện các thao tác điều khiển các thiết bị trong trạm

1.4 Phần thiết bị viễn thông

Hiện nay mức độ trang bị thiết bị viễn thông trong các trạm biến áp truyền tải điện đều đợc trang bị hệ thống cáp quang Tuy nhiên mỗi trạm tùy theo yêu cầu mà đợc trang bị các loại thiết bị thông tin khác nhau và mức độ cũng khác nhau Với chiến lợc phát triển của ngành viễn thông điện lực hiện nay và tơng lai thì ngoài nhiệm vụ nâng cao khả năng phục vụ các nhu cầu thiết yếu cho các hoạt động của hệ thống điện, viễn thông điện lực còn phải tham gia hoạt động viễn thông công cộng Vì vậy tơng lai các trang bị cho

ngành viễn thông điện lực cũng đợc hiện đại hóa cao Việc phòng chống các loại tác động của sét đến thiết bị này là hết sức cần thiết

1.5 Một số đánh giá chung về các thiết bị trong hệ thống điều khiển trạm biến áp hiện nay trong hệ thống điện Việt Nam

Qua khảo sát và các số liệu cho thấy hiện nay trong hệ thống điện Việt Nam đang tồn tại nhiều loại thiết bị điều khiển, có thể phân loại nh sau:

1 Thế hệ thiết bị điều khiển rơle cơ Hiện nay vẫn còn tồn tại ở các trạm biến áp cũ và đang đợc thay thế dần bằng các thế hệ thiết bị mới Đặc

điểm chung của thế hệ thiết bị này là chiếm một không gian lớn, khả năng đáp ứng mức độ tự động hóa không cao, không còn phù hợp với yêu cầu hiện nay cho các trạm biến áp hiện đại Mức độ chịu quá áp xung cao hơn các loại sử dụng bán dẫn, vi mạch tổ hợp

2 Thiết bị thế hệ kỹ thuật tơng tự (Analoge) Trong đó lại có thể phân loại ra các loại là thiết bị dùng các mạch điện tử bán dẫn Loại dùng thuần bán dẫn, vi mạch tổ hợp

3 Thiết bị thế hệ kỹ thuật số (Digital) Đây là thế hệ dùng chủ yếu mạch điện tử bán dẫn và vi mạch với các chip điện tử có mật độ bán dẫn cao

u thế của thế hệ này là có độ nhạy cao, tích hợp đợc nhiều chức năng trong một thiết bị, chiếm không gian nhỏ, tiêu thụ ít điện năng, khả năng thực hiện lập trình cho tự động hóa cao Nói chung đây là thế hệ thiết bị hiện đại và đáp

ứng ngày càng tốt cho tự động hóa cao của ngành điện song chúng có chung một nhợc điểm quan trọng là khả năng chịu quá điện áp rất thấp Với những mức điện áp những thế hệ thiết bị trớc đây chịu đựng đợc thì thế hệ sau không có khả năng chống chịu Các nguyên lý gây hỏng và cách phòng chống

sẽ đợc trình bày trong các phần sau của đề tài

4 Một trong các yếu tố cũng cần xem xét đó là trong các nhà điều khiển hiện nay có nhà có các thiết bị điều khiển thế hệ cũ của Liên Xô, có nhà thì vừa tồn tại cả thiết bị cũ và đợc bổ sung các tủ thiết bị mới Những nhà thuộc các trạm mới xây dựng thì hầu nh đợc trang bị mới các thiết bị kỹ thuật số

5 Một trong những vấn đề cũng cần quan tâm là hiện nay cùng tồn tại 2 loại cáp dẫn truyền tín hiệu là cáp kim loại và cáp quang Các loại cáp này cũng phản ứng rất khác nhau với các xung quá điện áp cảm ứng Việc xem xét khả năng chống quá áp cảm ứng của từng loại là rất cần thiết

6 Qua phân tích các quy mô và yêu cầu chung của hệ thống tích hợp

điều khiển trạm biến áp ở phần 1.3.4 cho thấy với các trạm biến áp trang bị hệ thống tích hợp hiện đại sẽ có mức độ phức tạp rất cao, từ đó sẽ có những nguy cơ xảy ra h hỏng do tác động của quá điện áp theo nhiều con đờng khác nhau ở đây có thể tóm tắt các ý chính cần phân tích cho các nội dung liên quan của đề tài:

- Hệ thống hầu hết là các thiết bị điện tử kỹ thuật số với các mạch tích hợp vi xử lý có mức hoạt động ở nguồn thấp (vài vol đến vài chục vol) Độ nhạy của mạch cao đồng nghĩa với mức chịu đựng quá áp các loại thấp (vài chục vol)

- Hệ thống có độ giao tiếp lớn: các mạng LAN, WAN, mạng với các thiết bị viễn thông khác Do đó việc đánh giá các nguy cơ h hỏng do tác động của các nguồn quá áp khác nhau là rất phức tạp

- Các tổ hợp thiết bị đợc nối với nhau bằng các đờng dây có tính chất khác nhau nh: cáp đồng có bọc kim, cáp đồng không bọc kim, cáp quang có bọc kim, cáp quang có phần kim loại chịu lực

- Khoảng cách nối bằng các loại cáp khác nhau, từ các thiết bị ngoài mặt bằng trạm (vài trăm mét) đến giữa các thiết bị trong trạm (có khoảng cách vài mét đến hàng chục mét)

- Cáp nối giữa các thiết bị đợc đi trong các rãnh cáp hoặc trong nhà trạm, tủ thiết bị Cáp quang đi theo đờng dây cao áp sau đó đi vào trạm và đi vào nhà điều khiển và viễn thông

Kết luận: Qua trình bầy tổng quan về nhà điều khiển của trạm biến áp ta thấy

trong nhà điều khiển có các thiết bị điện tử, thiết bị kỹ thuật số và các thiết bị thông tin rất quan trọng, các thiết bị này có độ nhạy cao, tích hợp đợc nhiều chức năng trong một thiết bị, chiếm không gian nhỏ, tiêu thụ ít điện năng, khả năng thực hiện lập trình cho tự động hóa cao Nói chung đây là thế hệ thiết bị hiện đại và đáp ứng ngày càng tốt cho tự động hóa cao của ngành điện song chúng có chung một nhợc điểm quan trọng là khả năng chịu quá điện áp rất thấp nên cần phải có biện pháp bảo vệ an toàn cho các thiết bị này khỏi các xung quá điện áp

C HƯƠNG 2 Phân tích các nguyên lý phát sinh

đến các thiết bị ở nhà điều khiển

Một nhà điều khiển cũng nh các công trình xây dựng khác, yêu cầu vềchống sét trực tiếp là rất cần thiết Qua khảo sát thực tế, thấy hầu hết các nhà trạm đều có thiết kế chống sét trực tiếp bằng các cột độc lập Các thông số chuyên môn đều đạt yêu cầu chống sét theo quy phạm hiện hành Nói chung

do ở trong mặt bằng trạm và yêu cầu tiếp đất của trạm biến áp bao giờ cũng cao hơn yêu cầu của chống sét trực tiếp mà hai hệ thống tiếp đất này thờng nối chung với nhau do vậy trị số tiếp đất của hệ thống chống sét trực tiếp luôn

đạt yêu cầu Có thể nói vấn đề nối đất và chống sét đánh trực tiếp cho nhà điều hành của trạm không cần xem xét tới trong đề tài này Để làm căn cứ khoa học cho các nội dung giải pháp bảo vệ thiết bị, chơng này sẽ phân tích một

số nguyên lý tác động của xung quá điện áp tới các thiết bị cần phòng chống

2.1 Phân tích một số loại xung quá điện áp

Các thiết bị điện tử, kỹ thuật số của nhà điều khiển và viễn thông rất dễ

bị h hỏng do một loại xung quá điện áp Xung quá điện áp này có thể do sét sinh ra và có thể phát sinh trong các mạch điện do các hoạt động nh đóng ngắt tải lớn, đóng cắt mạch do sự cố Để có thể thuận lợi cho theo dõi ở đây luận văn điphân tích một số các dạng sóng quá điện áp

2.1.1 Xung quá điện áp chuyển tiếp

Xung quá điện áp chuyển tiếp là sự tăng điện áp trong thời gian cực ngắn đo đợc giữa hai hay nhiều dây dẫn Sự tăng điện áp này trong khoảng thời gian từ vài phần triệu giây đến vài phần nghìn giây Mức tăng điện áp có thể có giá trị từ vài vôn đến vài nghìn vôn Điện áp này tồn tại giữa hai hay nhiều dây dẫn Đối với một nguồn cung cấp điện chính, các dây dẫn này có thể là dây nóng, dây pha, dây trung hòa hoặc dây nối đất

Hình 2.5- Quá điện áp xung

Theo định nghĩa, xung quá điện áp

chuyển tiếp là một dạng nhiễu loạn hoạt

động đặc biệt Do vậy ta cần liệt kê ngắn

gọn các dạng nhiễu điện khác để hiểu rõ

xung quá điện áp quá độ là những hiện

tợng nào

Hầu nh mọi dạng nhiễu điện đều

có thể biểu diễn dới dạng biến thể của

nguồn cấp điện thông thờng (nh hình

2.1)

Sự ngừng hoạt động, cắt điện hoặc

mất điện (power cut) đều là những thuật

ngữ đợc dùng để chỉ sự ngắt hoàn toàn

nguồn điện trong thời gian từ vài phần

nghìn giây đến nhiều giờ Sự mất điện

trong thời gian cực ngắn làm cho đèn

nhấp nháy cũng có thể đủ để phá hỏng

máy tính và các thiết bị điện có độ nhạy

cao khác (hình 2.2)

Sự sụt áp (undervoltage) là hiện

tợng điện áp nguồn cung cấp giảm đợc

duy trì, kéo dài từ vài giây trở lên (hình

2.3)

Sự quá áp (swell) là hiện tợng

điện áp cung cấp tăng đợc duy trì, kéo

dài từ vài giây trở lên (hình 2.4)

Hình 2.6- Nhiễu sóng radio

Xung quá điện áp chuyển tiếp (Transient overvoltages) hay Quá áp

xung là hiện tợng tăng điện áp kéo dài không quá phần nghìn giây Đây là dạng quá điện áp chủ yếu tác động vào thiết bị điện tử nhạy cảm và làm h hỏng thiết bị hoặc làm sai lệch thông số dẫn

tới làm h hại hoặc rối loạn sự làm việc của hệ

thống Để đơn giản từ đây ta gọi loại quá điện

áp này là: quá điện áp xung (hình 2.5)

Tiếng ồn điện hay sự nhiễu sóng radio

(RFI) là những hiện tợng sóng hình sin thông

thờng bị bóp méo liên tục bởi một tần số cao

từ 5kHz trở lên (hình 2.6)

Xung điện từ hạt nhân (NEMP- Nuclear

Electromagnetic Pulse) là các xung năng lợng

do nổ hạt nhân hoặc do bức xạ cờng độ lớn

của mặt trời gây ra Xung quá điện áp chuyển

tiếp NEMP diễn ra nhanh hơn nhiều so với các

xung quá điện áp chuyển tiếp thông thờng

(hình 2.7)

Sự phóng điện tĩnh (ESD- Electrostatic

dischage) là một hiện tợng có bản chất khác

Không giống các trờng hợp trên, hiện tợng

này không có xu hớng đợc truyền đi trên các

đờng dây điện hoặc đờng truyền dữ liệu Các

điện tích tĩnh đợc tạo ra khi hai vật cách điện

cọ xát với nhau Một vật tích điện sẽ phóng

điện khi nó tiếp xúc với một vật dẫn điện Một

ví dụ thông thờng cho cơ chế tích điện là 1 ngời đi trên các thảm làm từ sợi tổng hợp Hiện tợng phóng điện xảy ra khi ngời mang điện tích này chạm vào tay nắm cửa hoặc bàn phím máy vi tính (hình 2.8)

2.1.2 Nguyên nhân sinh ra quá điện áp xung

Quá điện áp xung có 2 nguồn chính gây ra: sét và hoạt động đóng ngắt

điện Sét có thể gây ra quá điện áp xung ở cả nguồn cấp điện chính và các

đờng truyền dữ liệu, tín hiệu hoặc đờng dây điện thoại

Hình 2.8 - Phóng điện tĩnh Hình 2.7- Xung điện từ

hạt nhân

Hình 2.9- Sự phát triển của sét

Sự phóng sét có thể đạt trị số dòng từ vài kA đến vài trăm kA (hầu hết các tài liệu nh Lightning của Mactin Uman hay các tiêu chuẩn của IEC; IEEE; BSI; AS đều lấy giá trị dòng sét lớn nhất có thể đạt tới là 200kA nhng có tài liệu ghi nhận giá trị này có thể đạt tới 530kA nhng có xác suất xuất hiện cực nhỏ) Nếu sét đánh vào một tòa nhà không có hệ thống chống sét trong cấu trúc, dòng điện này sẽ tìm đờng xuống đất qua tòa nhà và dàn khung của nó theo một lối thoát thờng không thể đoán trớc đợc Khi đó tòa nhà có nguy cơ bị hỏng hóc và có thể còn bắt lửa Mặc dù hiện tợng quá điện

áp có thể xảy ra, trong trờng hợp này nó chỉ là một trong những mặt thiệt hại

to lớn của tòa nhà và đồ đạc trong đó

Tuy nhiên, nếu sét đánh vào một tòa nhà có hệ thống chống sét trực tiếp trong kết cấu, sét sẽ đi xuống đất qua một lối đi xác định trớc Quá điện áp

có thể xảy ra qua ghép nối điện trở cảm ứng hoặc điện dung

Khi sét đánh vào cáp điện treo hạ thế hoặc đờng dây điện thoại, hầu nh toàn bộ dòng điện sẽ đợc truyền ngay xuống đất khi đờng dây phóng tia lửa điện xuống mặt đất Một phần tơng đối nhỏ (nhng có sức tàn phá lớn) của dòng sét sẽ đợc truyền dọc theo đờng dây đến các thiết bị điện tử

2.2 Điểm qua một số kiến thức về sét

Cần thiết nêu lại một số kiến thức cơ bản về sét để phân tích các tác

động của sét tới đối tợng xem xét

SSSSSựựựựự phá phá phát triểt triển củat triển củan của một phóng điệ một phóng điệ một phóng điện sén sén séttttt

Qua nhiều nghiên cứu của các

nhà khoa học, Mactin Uman (Mỹ)

đã tổng kết đợc nhiều các nghiên cứu

tỉ mỷ về quá trình phát triển và các

thông số của một phóng điện sét

Hình 2.9 cho ta thấy một sơ đồ trực

quan về quá trình phát triển của một

cú phóng điện sét điển hình Trong

khoảng 20ms đầu các tiên đạo của

sét hình thành và có hớng phát triển đi

xuống phía dới mặt đất Từ một điểm

dới mặt đất (có thể là một cột thu sét của công trình xây dựng, một điểm cao

hoặc thậm trí một điểm nào đó rất bình thờng trên mặt đất) sẽ có một tiên

đạo đi lên gặp đầu tiên đạo đi xuống và thành cú phóng điện sét đầu tiên kéo dài khoảng 20μsec Tuy nhiên một cú phóng điện tiếp theo kênh vừa rồi sẽ có thể đợc tiếp tục xảy ra tiếp theo khoảng 40msec sau đó Ngời ta đã ghi nhận

đợc các cú phóng điện sét thờng có từ 3 đến 5 thành phần và có cú đạt đến

20 thành phần Cờng độ dòng sét phổ thông thờng từ 5kA đến 50kA Các giá trị dòng nhỏ hơn 2kA và lớn đến hàng 100kA cũng có nhng tần suất rất nhỏ Có thể trong một cú sét, thành phần sau có dòng phóng lớn hơn và độ dốc sờn trớc dốc hơn Các xung sét này sẽ gây ra các cảm ứng dòng xung trong các dây dẫn kim loại và nếu đây là các dây dẫn tới các thiết bị điện tử thì đó là nguyên nhân làm các thiết bị này h hại

Viện kỹ s Điện Điện tử Mỹ (IEEE) đã tiến hành nghiên cứu quy mô - lớn đối với quá áp xung do sét gây ra Bộ Tiêu chuẩn Mỹ IEEE C62.41 khẳng

Để đánh giá độ bền của các thiết bị điện tử đối với các tác động củadòng sétthìquan trọng nhất là các tham số sau đây:

- Trị số điện tích mang

- Dòng điện trong kênh sét

- Số sét lặp trên một kênh sét

- Cờng độ hoạt động của dông sét

Các tham số này đợc xác định không phải là số đơn trị mà là số mang

đặc tính xác suất

Trị số điện tích mang

Trong quá trình hình thành phóng điện sét, điện tích mang dao động trong phạm vi từ 0,1 đến hơn 100 Culong [C] Sét đánh xuống các vùng khác nhau sẽ đa xuống đất các lợng điện tích khác nhau Sét đánh xuống vùng

đồng bằng đa xuống đất một lợng điện tích (10 50) C (trung bình 25 C), ữ khi sét đánh xuống vùng núi đa đi một lợng điện tích (30 ữ 100) C (trung bình 60 C), khi sét đánh xuống các tháp anten viễn thông đa đi một lợng

điện tích đến 160 C Điện tích âm đa xuống đất chiếm (85 ữ 95)% trong đa

số các trờng hợp khi sét đánh xuống đất

Dòng điện trong kênh sét

Dòng chảy trong kênh sét là đặc trng định lợng cơ bản của sét Dòng trong kênh sét là dòng xung, tăng nhanh từ không đến cực đại (sờn trớc của sóng xung) và giảm tơng đối chậm (sờn sau của sóng xung)

Một dòng sét bao gồm các thành phần dòng xung, dòng vầng quang và dòng một chiều Các thông số cơ bản của dòng sét đã đợc trình bày trong nhiều tài liệu, ở đây ta chỉ tóm tắt các ý chính liên quan tới các phân tích cần thiết

Xung dòng sét đợc xác định thông qua đặc tính “Biên độ Thời gian” - với các thông số sau:

- Biên độ dòng sét Is

- Thời gian (độ dài) sờn trớc của xung T1

- Thời gian (độ dài) cho đến lúc sờn sau đạt một nửa giá trị biên

độ dòng sét T2

Hình 2.10: Đồ thị dòng sét thử tiêu chuẩn

Xung dòng sét đợc đặc trng bằng tỷ số độ dài sờn trớc của xung T1

và độ dài cho đến lúc sờn sau đạt một nửa giá trị biên độ dòng sét T2, có nghĩa là (T1/T2)

Ngoài đặc tính "Biên độ - Thời gian" của xung dòng sét đợc nêu ra ở trên, trong thực tế còn dùng cả tham số độ dốc trung bình sờn trớc của xung I's = dis(t)/dt

Dòng trong kênh sét thay đổi trong một phạm vi rộng từ 2kA đến hàng 100kA

Sét có dòng lớn xuất hiện rất hãn hữu Sét có dòng 200kA xuất hiện chiếm (0,7 1,0) % trong tổng số các trờng hợp sét quan sát đợc Số trờng - hợp sét đánh có dòng 20kA chiếm khoảng 50%

Thời gian kéo dài sờn trớc của xung dòng sét khi đánh xuống đất dao

động trong phạm vi từ 0,5às đến 10às Thời gian kéo dài trung bình sờn trớc của xung dòng sét thờng lấy bằng T1 = 2às

Thời gian kéo dài của xung dòng sét về cơ bản đợc xác định bởi thời gian lan truyền của sét ngợc từ đất đến đám mây, vì thế nó thay đổi từ 20às

đến (80 - 100) às Thời gian kéo dài của xung dòng sét khoảng 50às

Các đặc tính của sét

Sét có xu hớng đánh trớc tiên vào các kết cấu hoặc vật thể ở cao Tuy nhiên, các cú đánh xuống mặt đất cũng rất phổ biến tại những nơi có kết cấu khác nhau

Hình 2.11 minh họa cách thức dòng sét truyền vào tòa nhà và các hệ thống điện tử nối kết sau khi sét đánh vào các tòa nhà, dây điện hoặc mặt đất xung quanh

Hình 2.11 Sét đánh vào bất kỳ phần nào của địa điểm cũng sẽ - truyền dòng sét đi xa điểm đánh mũi tên chỉ các hớng dòng điện có thể di chuyển -

Để chống sét thì một tòa nhà có khả năng dẫn điện tốt, với mái nhà và lớp sơn mạ bảo vệ bằng kim loại là một kết cấu lý tởng Một kết cấu nh vậy

sẽ tạo cho các thiết bị điện tử bên trong một không gian đợc bảo vệ Nhiều tòa nhà có khung thép hoặc nhà bê tông cốt thép có lớp sơn mạ bảo vệ bằng kim loại cũng gần đáp ứng đợc mô hình lý tởng này Nếu sét đánh vào tòa nhà dòng sét sẽ chạy khắp bề mặt tòa nhà và truyền xuống đất, với điều kiện

là mái nhà và lớp sơn mạ bảo vệ có nối đất với nhau Những chênh lệch nhỏ về

điện trở sẽ ảnh hởng rất ít đến đờng truyền, vì các đờng truyền điện đợc xác định bởi độ tự cảm chứ không phải bởi điện trở

Đờng truyền của dòng điện trong khung thép hoặc trong kết cấu bê tông cốt thép đều cho thấy dòng sét truyền qua các dây dẫn bên ngoài nhiều hơn Hình 2.12 cho thấy ngay cả khi sét đánh vào giữa mái nhà, phần lớn dòng sét truyền xuống qua các dây dẫn bên ngoài chứ không phải các dây dẫn bên trong gần hơn Dòng điện chạy qua ba cột bên trong nhà tơng đối nhỏ, tạo ra các từ trờng rất nhỏ bên trong tòa nhà

Hình 2.12 Sự phân bố dòng sét trong một kết cấu nhà có 15 trụ -

(Theo BS 6651.1992- Anh)

Nh vậy việc bố trí một số lợng lớn các dây dẫn xung quanh tòa nhà sẽ làm giảm rất đáng kể từ trờng trong nhà, giảm thiểu tối đa nguy cơ bị nhiễu quá áp ngắn cho các thiết bị điện tử từ hệ thống chống sét của tòa nhà

Hiệu ứng nhiễu xung của sét có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng cho việc truyền dữ liệu Sau kỳ phóng điện sét đầu tiên, có thể có đến 20 cú

đánh lặp lại (restrike) theo sau (xem phần 2.2.1), diễn ra trong tổng cộng từ 1

đến 2 giây Nếu quá áp xung kèm theo không đủ lớn để gây hỏng hóc, chúng cũng sẽ làm rối loạn hoặc phá hỏng dữ liệu đang đợc truyền đi Rõ ràng, điều

quan trọng là thiết bị kiểm tra lỗi của máy tính phải có khả năng từ chối

không tiếp nhận những đoạn dữ liệu nhiễu đó kéo dài đến 2 giây

2.3 Phân tích các nguyên nhân dẫn đến quá điện áp xung làm h hỏng thiết bị nhà điều khiển và phòng thiết bị thông tin viễn thông

2.3.1 Kết nối dạng điện trở

Đây là nguyên nhân thông thờng nhất gây ra quá áp xung và nó tác

động đến cả đờng dây treo và đờng dây ngầm Quá điện áp xung do kết nối

điện trở xảy ra khi sét đánh làm tăng điện thế của một hoặc hơn một trong số các tòa nhà (hay kết cấu) có nối kết về điện với nhau hẳng hạn nh: c C ác

đờng dây điện nối từ trạm biến áp đến tòa nhà, các dây dẫn điện nối giữa hai tòa nhà, các dây cấp điện nối từ trong nhà đến các đèn, thiết bị quan sát hoặc thiết bị an ninh ngoài trời, đờng dây điện thoại nối từ tổng đài đến tòa nhà, các đờng dây điện thoại giữa hai tòa nhà, đờng truyền dữ liệu thông tin hoặc

đờng dây kết nối mạng LAN giữa các tòa nhà, đờng truyền tín hiệu hay

đờng truyền điện từ tòa nhà đến các thiết bị cảm biến đặt ngoài trời

Hình 2.13 Kết nối điện trở thông qua đờng truyền dữ liệu -

Hình 2.14 Kết nối điện trở thông qua dây nóng, dây trung hòa và dây -

nối đất của nguồn cấp điện chính

Hình 2.13 mô tả hai tòa nhà Mỗi tòa nhà có chứa các thiết bị điện tử

đợc nối đất thông qua nguồn cấp điện chính của nó Một đờng truyền dữ liệu thông tin nối hai loại thiết bị ở hai tòa nhà, và do đó nối hai phần mặt đất cách biệt với nhau

Một cú sét đánh gần một trong hai tòa nhà sẽ truyền vào mặt đất một dòng điện cực lớn Dòng điện này sẽ truyền đi xa điểm đánh - đặc biệt theo

đờng truyền có điện trở thấp Các điện cực nối đất, cáp điện và hệ thống mạch điện của thiết bị điện tử đều dẫn điện tốt hơn đất Khi dòng điện truyền

đi, các quá áp ngắn có sức phá hủy lớn xuất hiện và truyền qua những bộ phận

có độ nhạy cao của các thiết bị

Hình 2.14 cho thấy một ví dụ về sự hình thành quá điện áp xung do kết nối điện trở tại một nguồn cấp điện chính

Quá điện áp xung do kết nối điện trở có thể xảy ra khi các kết cấu nối

đất riêng rẽ chỉ cách nhau vài mét Kết nối điện trở sẽ tác động đến cả cáp treo

và cáp ngầm

Cáp và dây nối giữa các thiết bị thờng có chiều dài ngắn và đợc bố trí

đi trong mơng cáp, về cơ bản nó ít bị ảnh hởng do sét đánh trực tiếp mà dễ

bị ảnh hởng điện từ do dòng sét chảy trong đất

Để đánh giá ảnh hởng của dòng chảy trên vỏ cáp nối giữa các thiết bị, tham số quan trọng nhất là trở kháng ghép Zg [Ω/m], có quan hệ tới sụt áp xuất hiện ở bề mặt bên trong của vỏ cáp với dòng điện chảy theo mặt ngoài của vỏ trên một đơn vị chiều dài của cáp

ảnh hởng điện từ của sét lên cả dây và cáp nối giữa các thiết bị Điện dung C và điện cảm L là các đặc tính cơ bản xác định ảnh hởng điện từ của sét lên dây và cáp nối giữa các thiết bị

Do chiều dài đờng dây nối giữa các thiết bị ngắn nên ngời ta có thể xem xét các ảnh hởng từ và điện của sét riêng biệt

Xét cho trờng hợp ở trạm biến áp có thể xảy ra trờng hợp ghép nối này khi có cú sét đánh trúng cột thu lôi hoặc dây chống sét trong khu vực trạm

và đợc dẫn truyền xuống hệ thống nối đất của trạm tại vị trí chân cột thu sét

sẽ có một vùng áp dâng cao xung quanh khu vực đó, tất nhiên nếu hệ thống nối đất của trạm đợc thiết kế tốt thì thế đó đợc san bằng Các dây dẫn tín hiệu điều khiển từ các thiết bị trong mặt bằng trạm đợc đi theo các hào cáp

về tủ thiết bị điều khiển trong nhà thờng kéo dài từ vài chục mét đến hàng trăm mét vì thế có thể vẫn xảy ra kết nối điện trở và có sự chênh lệch áp Điện

áp này có thể gây nguy hiểm cho thiết bị

Trong thực tế đối với trạm biến áp thì ảnh hởng đến các thiết bị trong nhà điều khiển qua dạng kết nối này thờng khó xảy ra vì hệ thống nối đất của trạm đợc thiết kế theo yêu cầu trong Quy phạm, đảm bảo cân bằng thế tại các

điểm nối đất

2.3.2 Kết nối cảm ứng

Đây là hiệu ứng biến áp do từ trờng xảy ra giữa tia sét và dây cáp Bản thân tia sét là một dòng điện cực lớn và khi dòng điện này truyền đi, xung quanh nó xuất hiện một trờng điện từ Nếu cáp điện hoặc cáp dữ liệu chạy qua từ trờng này, trên cáp sẽ xuất hiện một điện áp cảm ứng

Trong nhà điều khiển của trạm biến áp cũng có thể chịu tác động của kiểu kết nối này khi có sét đánh giữa mây với mây hoặc mây với đất trong khu vực trạm hay gần trạm Các tác động đó có thể là: Tác động đến các dây nối từ thiết bị ngoài trạm về nhà điều khiển nh các dây cáp lấy tín hiệu dòng, áp, so lệch, điều khiển Trong thực tế các dâycáp lấy tín hiệu dòng, áp, so lệch, điều khiển của trạm biến áp đợc thiết kế đi trong mơng cáp ngầm, đều đợc bọc kim và nối đất đúng kỹ thuật và theo Quy phạm nên khả năng ảnh hởng qua kết nối cảm ứng là rất nhỏ

2.3.3 Kết nối điện dung

Nếu các dây dẫn dài đợc cách điện hoàn toàn với mặt đất (ví dụ thông qua các MBA hoặc thiết bị cách điện), chúng có thể tích tụ một điện áp lớn do

điện dung giữa các dây dẫn và những đám mây dông tích điện Nếu điện áp trên đờng dây tăng vợt độ bền của các thiết bị ở hai đầu dây (ví dụ các thiết

bị cách điện), những thiết bị này sẽ bị hỏng

Đờng dây nối giữa các thiết bị chịu ảnh hởng thứ cấp do ghép điện (điện dung) và ghép từ (điện cảm) với các mạch và đờng dây dài đợc lắp đặt

ở gần

Ghép điện dung là sự tác động tơng hỗ của các sơ đồ, các mạch và các phần tử riêng rẽ của mạch do trờng điện xuất hiện xung quanh mạch gây ảnh hởng

So với cáp nối giữa các thiết bị thì các dây nối giữa các thiết bị chịu

ảnh hởng thứ cấp chủ yếu do không đợc bảo vệ phòng tránh ảnh hởng của

điện và từ trờng

2.3.4 ảnh hởng của sét lên mạch cung cấp nguồn cho thiết bị trong nhà

điều khiển và thiết bị phòng thông tin viễn thông

Các nguy hiểm xuất hiện trên các mạch cung cấp nguồn cho thiết bị nhà

điều khiển và thiết bị viễn thông có liên quan đến sự quá áp do tác động của sét lên các hệ thống cung cấp điện Sự quá áp trong các hệ thống cung cấp

điện do uá áp dông sét xuất hiện khi sét đánh trực tiếp hoặc gián q tiếp lên các

đờng dây tải điện

U

1

2

3

t

Hình2.17 Sự hình thành xung quá áp dạng cắt

1) ở sờn trớc của xung sét;

2) ở trị cực đại của xung sét;

3) ở sờn sau của xung sét

Xung quá áp có sờn trớc rất dốc (dờng nh thẳng đứng) và kéo dài

khoảng (5 - 15)às, xuất hiện trên đờng dây tải điện khi sét đánh trực tiếp vào

cột hoặc vào dây chống sét gây ra sự phóng điện bề mặt các cách điện của

đờng dây

Các xung quá áp khi lan truyền trên đờng dây tải điện và khi tác động

vào hệ thống chống sét đợc biến đổi và kết quả là tạo ra các nhiễu xung với

thời gian nhỏ hơn 1às và biên độ khoảng (1 - 1,5)kV trong mạch cung cấp

điện cho các thiết bị điện tử, thiết bị kỹ thuật số và thiết bị thông tin

Các nhiễu do dông sét gây ra trên mạch cung cấp nguồn cho thiết bị

điện tử và viễn thông đợc phân ra thành hai loại là nhiễu xung và nhiễu âm

tần

Nhiễu xung: Thực tế khai thác các phơng tiện điện tử cho chúng ta

thấy rằng, điện áp nhiễu xung có liên quan đến các bớu xung ở trên các mạch

cung cấp điện xoay chiều thờng đợc quan sát thấy có thời gian tức thời (nhỏ

hơn 1 s) và kéo dài không lớn hơn 10à ms

Nhiễu âm tần: Nhiễu âm tần trong các mạch cung cấp điện cho thiết bị

điện tử và viễn thông xuất hiện thờng dới dạng sụt điện áp và rất hãn hữu

dới dạng các bớu Điện áp sụt đợc đặc trng do sụt áp đột ngột tức thời của

mạng điện áp nguồn thứ cấp do các hệ thống chống sét trên đờng dây tải điện

hoặc ở trạm biến thế điện tác động Điện áp sụt của mạng có thể đạt (15 -

30)% điện áp danh định và kéo dài từ 1 đến 30 chu kỳ của tần số lới điện

Khi rơle bảo vệ nguồn thứ cấp tác động điện áp sụt đạt đến 100% điện áp danh

định và kéo dài (1 - 5) chu kỳ của tần số lới điện

Đối với nhà điều hành của trạm biến áp đa số đều đợc cấp điện bằng hai máy biến áp tự dùng M áy biến áp tự dùng số một đợc cấp điện trung áp bằng cáp ngầm từ máy biến áp chính của trạm, máy biến áp tự dùng số hai

đợc cấp nguồn từ đờng dây trung áp của địa phơng Đờng hạ thế đợc dẫn bằng cáp ngầm vào trong tủ phân phối điện xoay chiều trong nhà điều khiển Với phơng thức cấp nguồn nh vậy, khả năng ảnh hởng của sét đến

hệ thống cấp nguồn đối với máy biến áp tự dùng số một là rất khó xảy ra Đối với máy biến áp tự dùng số hai lấy nguồn từ lới điện trung áp của địa phơng, mặc dù đã đợc bảo vệ bằng chống sét van đặt phía trung áp của máy biến áp nhng vẫn có khả năng có xung quá điện áp xuất hiện truyền qua máy biến áp

Về mặt lý thuyết, hoạt động của máy biến áp chuyển từ cao áp xuống hạ áp có thể loại trừ các quá áp xung so với mặt đất (có nghĩa là quá áp giữa dây nóng

và đất hoặc giữa dây trung hòa và đất) Tuy nhiên, điện dung lạc giữa các cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp vẫn có thể tạo cho quá áp xung một

đờng truyền cao tần qua máy biến áp và truyền quá áp xung vào các thiết bị trong nhà điều khiển

Quá áp xung xảy ra trong mạng điện cấp nguồn lới hạ áp xảy ra với mức độ nhiều khi rất cao Trong thực tế ở nớc Anh đã đặt thiết bị theo dõi các nguồn cấp điện chính hạ áp trong tổng cộng 3.400 giờ Thiết bị đã ghi lại

đợc trung bình khoảng 8 phút lại xảy ra quá áp xung Tổng cộng đã có gần 28.000 quá áp xung đợc ghi lại trong thời gian theo dõi [7] Tuy nhiên, rất may là phần lớn các quá áp xung có mức độ thấp và có khả năng không ảnh hởng gì đến các thiết bị điện tử và chỉ có khoảng 240 quá áp xung có khả năng gây ảnh hởng đến thiết bị

Các thí nghiệm đối với quá áp xung giữa dây và đất cho thấy các quá áp xung đợc truyền qua máy biến áp lớn đến mức đáng ngạc nhiên Do điện dung giữa các cuộn dây, các quá áp ngắn ghi lại đợc ở đầu ra có giá trị bằng một nửa quá áp ngắn ở đầu vào [7] Nếu có các giải pháp triệt để thì hệ thống

đợc bảo đảm an toàn hơn

2.3.4 ảnh hởng của sét qua hệ thống tiếp đất

Tiếp đất là một trong các biện pháp cơ bản chống sét cho các thiết bị viễn thông, nhng các hệ thống tiếp đất cũng có thể trở thành các nguồn tạp

âm dông sét Thờng điều này xuất hiện trong những trờng hợp khi thế tại

các điểm tiếp đất hoặc các điểm nối với vỏ chung vì một lý do nào đó có điện thế khác với điện thế không của đất hoặc khác với điện thế của các điểm nối

Về cơ bản điều này có liên quan đến độ dẫn điện hữu hạn của đất hoặc của vật liệu làm vỏ và khi có dòng sét chảy trong đất hoặc chảy trong vỏ của thiết bị điện tử làm xuất hiện sự chênh lệch điện thế giữa các điểm này

Điện thế chênh lệch giữa hai điểm tiếp đất đợc xác định bằng công thức:

Hình 2.18 Xác định ảnh hởng của dòng sét trong đất đến hệ thống tiếp đất

Dòng điện san bằng do nhiễu dông sét sẽ xuất hiện do nguyên nhân chênh lệch điện thế trong các mạch tiếp đất của thiết bị điện tử, phụ thuộc một cách đáng kể không những chỉ vào trở kháng mạch tiếp đất của thiết bị mà còn vào cả điện trở của tiếp đất

Dòng nhiễu dông sét do chênh lệch điện thế đợc xác định bằng công thức:

Inhiễu = ∆Uab / Ztổng

Trong đó : Ztổng tổng trở của các mạch tiếp đất, [Ω]

Xét ảnh hởng qua các điểm đấu chung

Nếu các mạch hay hệ thống thiết bị điện tử đợc nối chung vỏ thì chênh lệch điện thế giữa các điểm nối sẽ xuất hiện do sụt áp trên trở kháng vỏ ZV

Khi xét đến hiệu ứng bề mặt điện thế chênh lệch này đợc xác định bằng công thức:

RV0 - điện trở một chiều của vỏ thiết bị điện tử,[Ω / m]

τthẩm thấu - hằng số thời gian thẩm thấu của dòng sét vào vỏ thiết bị viễn thông, [s]

τthẩm thấu = àvật liệu vỏ σvật liệu vỏ d2

V

àvật liệu vỏ - độ thẩm từ của vật liệu làm vỏ, [H / m]

σvật liệu vỏ - độ dẫn của vật liệu làm vỏ, [S / m]

dv: Độ dầy của vật liệu làm vỏ máy [ m]

n: Số lợng đoạn vật liệu làm vỏ máy có các tính chất, kích thớc khác nhau trong tổng khoảng cách giữa hai thiết bị tính toán

Hình 2.19 ảnh hởng của dòng sét qua các điểm đấu chung

của thiết bị điện tử

Một cách gần đúng có thể xác định điện thế chênh lệch giữa hai điểm

đấu chung bằng công thức nh sau :

∆uab(t) = iS*(t) RV0

Trong đó :

iS* (t) ≈ iS(t) 1 - exp( t/τ- thẩm thấu) dòng sét chảy ở bề mặt bên trong của vỏ thiết bị điện tử có xét đến hiệu ứng bề mặt, [A];

Nh vậy, dòng nhiễu trong các hệ thống thiết bị điện tử đợc nối với vỏ chung sẽ chỉ phụ thuộc vào trở kháng của mạch nối với vỏ, có nghĩa là:

Điểm tiếp đất

i(t)

Imax

điện trong kênh sét

τ1 ≈ 0,1.τthẩm thấu

τ2 ≈ 0,2.τthẩm thấu

Hình 2.23 Một con - chíp bị phá huỷ do tác động của xung quá điện áp

2.4 Hậu quả do tác động của quá điện áp xung do sét đến các thiết bị nhà

điều khiển và thiết bị viễn thông

Quá áp xung do sét gây ra đều để lại hậu

quả nh: làm rối loạn hoạt động, làm thiết bị

xuống cấp, gây hỏng hóc và làm đình trệ hoạt

động

Gây rối loạn hoạt động

Dù không có thiệt hại nào về mặt vật chất,

mức logic hay mức tơng tự của hệ thống bị ảnh

hởng, gây ra các hiện tợng: mất dữ liệu, dữ liệu

và phần mềm mất chính xác, máy tính hỏng hóc

không có nguyên nhân rõ ràng, treo máy Hệ

thống sau đó có thể khởi động lại (thờng chỉ bằng

cách tắt đi rồi lại bật lên) và hoạt động bình thờng

Phần lớn những vấn đề nh vậy không đợc báo cáo

lại

Làm xuống cấp thiết bị

Vấn đề này có thể nghiêm trọng hơn Việc

tiếp xúc với quá áp xung mức thấp trong thời gian

dài sẽ làm các bộ phận của thiết bị điện tử và của hệ

thống mạch xuống cấp, làm giảm tuổi thọ của thiết

bị và tăng nguy cơ hỏng hóc của thiết bị, dù ngời dùng không nhận biết rõ

Hình 2.22- Thiết bị bị phá hỏng do tác động của quá điện áp xung

Làm ngng trệ hoạt động

Sự rối loạn hoạt động, sự xuống cấp của các chi tiết và những hỏng hóc không cần thiết đều dẫn đến sự ngng trệ hoạt động của các thiết bị và hệ thống, có nghĩa là:

- Nhân viên không thể làm việc

- Nhân viên phải làm việc ngoài giờ

- Các nhà quản lý và các chuyên gia kỹ thuật mất thời gian giải quyết các vấn đề đáng ra không có

- Năng suất công việc giảm

- Làm ngng trệ hoạt động sản xuất và kinh doanh của khách hàng

- Mất các công việc khác

Độ nhạy của thiết bị

Không có mức độ đánh giá mức dễ bị tấn công tuyệt đối có thể áp dụng cho mọi loại thiết bị điện tử Điều này phụ thuộc rất nhiều vào độ nhạy của các chi tiết khác nhau vào thiết kế mạch Do đó, mức độ nhạy cảm với các ảnh hởng của các thiết bị khác nhau và các nhà sản xuất khác nhau là khác nhau

Một quá áp đủ để gây hỏng hóc, ngắt hoặc treo máy đối với một thiết bị này có thể lại không ảnh hởng gì đến một thiết bị cùng loại khác

Các cơ chế gây hỏng hóc về vật chất nh miêu tả ở trên còn phụ thuộc vào kích cỡ của chi tiết hoặc thiết bị Khi ngành điện tử ngày càng tiến bộ và

do đó tiến tới các kích thớc nhỏ hơn, khả năng dễ bị hỏng tăng, độ nhạy tăng Các rơle đã bị thay thế bằng đèn bán dẫn (transistor), rồi đèn bán dẫn lại bị thay thế bằng các con chip vi mạch và các bộ vi xử lý Loại sau có mức chịu quá điện áp thấp hơn loại trớc Mức độ dễ bị h hỏng của thiết bị có thể đợc ghi chép lại tốt hơn nếu các bộ tiêu chuẩn IEC nh bộ IEC 801-5 đợc đa vào sử dụng Thông thờng rất ít các thiết bị bán dẫn có thể chịu đợc một

điện áp lớn hơn hai lần mức chịu đựng thông thờng của chúng (IEEE 1992) Một nguồn cấp điện một pha 230V có điện áp tối đa thông thờng là 230V x √2 x1,1 (10% mức dung sai nguồn cung cấp) Điều này giúp ta tính

1100-đợc điện áp tối đa thông thờng là 358V và do đó, mức bị quá áp xung tác

động của nguồn cấp điện này là khoảng 700V Tất nhiên đây chỉ là quy luật rút ra theo kinh nghiệm, và đối với những thiết bị đã có mức độ dễ bị tác động riêng, nên bỏ qua quy luật này

Trong thực tế, qua kết quả khảo sát một số trạm điển hình nh trạm biến áp 500kV và 220kV Hoà Bình, trạm 220kV Việt Trì, trạm 220kV Thái Nguyên, trạm 110kV Sông Công, Lu Xá, Phúc Thọ… ta thấy tình trạng chung là do các trạm đều cha có các thiết bị theo dõi quá điện áp thờng xuyên nên không có kết quả phản ánh đợc tình trạng quá điện áp xung của các vị trí cần giám sát Các sự cố h hỏng thiết bị tại các nhà điều khiển và thiết bị viễn thông cha đợc tìm hiểu nguyên nhân một cách chính xác Nên chăng cần thiết có các thiết bị theo dõi nghiên cứu quá điện áp xung trong các mạch điện để có thể có bức tranh toàn diện về thực tế quá điện áp xung các tác

động thực sự của chúng gây ra cho thiết bị điện tử nh các kết quả của nớc ngoài

Nh vậy các phần trên đã đề cập đến các nguyên nhân có thể xẩy ra cho các thiết bị điện tử, viễn thông trong nhà điều khiển trạm biến áp, tuy nhiên với mỗi nhà điều khiển do khác nhau về kết cấu xây dựng, quy mô, cấu hình vì vậy việc phân tích cần đợc xem xét tỉ mỉ cho từng trờng hợp cu thể

2.5 Sự bảo vệ có cần thiết hay không

Quyết định có nhu cầu bảo vệ thiết bị hay không phụ thuộc rất nhiều vào mức độ quan trọng của hệ thống điện tử đang xét tới đối với ngời sử dụng, khi đa ra quyết định, cần xét đến:

- Giá thành thay thế thiết bị hỏng

- Giá thành sửa chữa, đặc biệt đối với các hệ thống lắp đặt ở xa, không

có ngời điều khiển

- Giá thành của dữ liệu bị hỏng hoặc bị mất

- Các thiệt hại tiền của do sự tắc nghẽn kéo dài gây ra: những mất mát

về khách hàng, mất mát về sản lợng, công việc đang tiến hành bị ngng trệ hay bị hủy

- Những nguy cơ đối với sức khỏe và sự an toàn của con ngời có thể xảy ra do sự bất ổn định của nhà điều khiển ảnh hởng đến hoạt động chung của trạm điện

Nh vậy, việc quyết định có bảo vệ hay không và bảo vệ thiết bị nào sẽ phụ thuộc rất nhiều vào các chi phí sửa chữa và tầm quan trọng của hệ thống Các thiết bị trong nhà của trạm biến áp nh thiết bị điều khiển, SCADA/EMS/DMS, thiết bị viễn thông là những thiết bị điện tử đợc liệt kê vào hàng các thiết bị có mức quan trọng cao cần đợc bảo vệ ở mức cao nhất

Tuy nhiên cần thiết đánh giá mức nguy cơ mà các thiết bị này chịu đựng từ đó

có quyết định trang bị mức độ bảo vệ cho hệ thống

Kết luận: Qua phân tích ở trên và qua khảo sát thực tế tại một số trạm biến áp

ta có kết luận nh sau

- Nhà điều khiển trạm biến áp đợc chống sét đánh trực tiếp bằng hệ thống chống sét chung của trạm, cụ thể là dùng hệ thống cột thu lôi độc lập hoặc dây thu sét Các thông số tính toán đảm bảo an toàn theo Quy phạm Do vậy khả năng sét đánh trực tiếp vào nhà điều khiển là rất khó xảy ra

- Hệ thống nối đất của nhà điều khiển trong trạm biến áp đợc nối chung với hệ thống nối đất của toàn trạm, hệ thống nối đất của toàn trạm đợc tính toán thoả mãn yêu cầu điện trở nối đất Rht≤ 0,5 Ωvà thoả mãn yêu cầu nối

đất chống sét, hệ thống thanh nối đất đợc tính toán bố trí đảm bảo cân bằng thế theo đúng Quy phạm Do vậy trờng hợp khi có dòng sét chạy vào hệ thống nối đất sẽ rất ít khả năng làm tăng điện thế cục bộ trong đất gây nên phóng điện ngợc đến các thiết bị trong nhà điều khiển

- Các thiết bị trong nhà điều khiển đợc liên kết với các thiết bị nhất thứ ngoài trạm qua hệ thống cáp (cáp lực, đo lờng, tín hiệu, điều khiển ), đối với các loại cáp có khả năng bị nhiễu lớn (cáp đo lờng, tín hiệu, điều khiển, cáp cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng ngoài trời) thì đợc thiết kế dùng cáp có

võ bọc kim để chống nhiễu, tất cả hệ thống cáp đều đợc bố trí đi dây và nối

đất đúng kỹ thuật và Quy phạm Do vậy khả năng ảnh hởng của sét qua hệ thống cáp đến các thiết bị trong nhà điều khiển là rất khóxảy ra

- Trạm biến áp đợc cấp nguồn bằng hai máy biến áp tự dùng, một máy lấy điện từ thanh cái của máy biến áp chính trong trạm, máy còn lại đợc lấy nguồn từ lới trung áp của địa phơng, hai máy biến áp này đều cấp nguồn cho các thiết bị trong nhà điều khiển Từ phân tích ở mục 2.3.4 và qua thống

kê các sự cố trong thực tế ta thấy ảnh hởng của sét qua hệ thống cấp nguồn tự dùng lấy điện từ lới địa phơng lên mạch cung cấp nguồn cho thiết bị trong nhà điều khiển và thiết bị phòng thông tin viễn thông là tơng đối nguy hiểm Vì vậy cần phải tiến hành khảo sát, tính toán, đánh giá hiệu quả hệ thống bảo

vệ trên lới điện trung áp và ảnh hởng của sét lan truyền sang đờng nguồn hạ áp khi sét đánh trực tiếp vào đờng dây trung áp, từ đó có biện pháp bảo vệ

an toàn cho các thiết bị trong nhà điều khiển, đặc biệt là các thiết bị điện tử nhạy cảm có khả năng chịu quá điện áp xung thấp

C HƯƠNG 3

Sử dụng mô hình nguồn phát xung sét chuẩn

và mô hình chống sét van trung áp để đánh giá ảnh hởng của sét ên đờng nguồn l hạ áp khi sét đánh

trực tiếp lên đờng dây tr ung áp

Từ những phân tích ở chơng hai ta thấy ảnh hởng của sét lên mạch cung cấp nguồn cho thiết bị trong nhà điều khiển và thiết bị phòng thông tin viễn thông là tơng đối nguy hiểm Để tiến hành khảo sát đánh giá hiệu quả bảo vệ của hệ thống bảo vệ quá áp trên lới điện trung áp và đánh giá ảnh hởng của sét lênđờng nguồn hạ áp cung cấp điện tự dùng cho trạm biến áp khi sét đánh trực tiếp vào đờng dây trung áp trên không dẫn xung quá điện áp vào phía sơ cấp của máy biến áp tự dùng, ta sử dụng các nguồn phát xung sét chuẩn và mô hình chống sét van (MOV) trung áp [1], [2], [5] đợc xây dựng trong môi trờng Matlab để khảo sát

3.1 Mô hình nguồn phát xung sét chuẩn

3.1.1 Xung sét quy định theo tiêu chuẩn đối với thử nghiệm bằng dòng

điện xung sét:

- Thời gian đ t đ nh súng tạ ỉ đs của dũng đi n xung sột là một tham số giảệ

định đư c xỏc đ nh b ng 1,25 l n kho ng th i gian T gi a cỏc th i đi m khi ợ ị ằ ầ ả ờ ữ ờ ểxung là 10% và 90% của giỏ trị đỉnh (Hỡnh 3.1)

- Thời gian đ t l/2 đ nh súng tạ ỉ s của dũng đi n xung sột là một tham sốệgiả đị nh được xỏc đ nh bị ằng khoảng th i gian giờ ữa đi m gốc giả địể nh Ol và thời đi m khi đi n ỏp đó gi m tới n a giỏ trể ệ ả ử ị đỉ nh

- Điểm gốc giả định O1 là giao điểm của đư ng thẳờ ng đư c vẽ qua cỏc ợ

điểm chuẩn 10% và 90% trờn đầu súng với trục th i gian ờ

- Xung sột tiờu chuẩn là một xung sột toàn súng cú thời gian đầu súng

8μs và thời gian nửa súng 2 μs Xung như vậy gọi là xung 8/20μs 0

Hình 3.1: Dạ ng xung dòng điện chu n ẩ3.1.2 Mô hình nguồn phát xung sét chuẩn xây dựng trong m i trườngôMatlab

Phần mềm MATLAB

MATLAB là mộ công ụ phần mềt c m c a ủ MATHWORK, ban đầu ợc đư

phát triể để ụn ph c v ch y u ụ ủ ế cho việc mô t ả các nghiên c u kứ ỹ thu t bằậ ng

toán ọh c với phần tử cơ bản là ma trậ Thuận t ng ữ MATLAB có được là do hai t ừMatrix à v Laboratory ghép l iạ

Ngày nay, MATLAB à ph n ml ầ ềm có giao di n c c m nh cùng nhi u ệ ự ạ ề

lợi thế rong ậ t l p trình đ giả qu ết các ấ đề trong ngành: Điệ Điện tử, Vật ể i y v n

n-lý hạn nhân, Đi u khi n tề ể ự độ ng, Robot…Trong lĩnh vực k thu t, ta thường ỹ ậ

phải x ử lý các dữ ệu rờ ạli i r c dưới dạng ma tr n Còn ậ các dạ d li u ng ữ ệ liên ục tnhư âm thanh, hình ảnh hoặc đơn gi n hơn là ả các i l ng v t lý đạ ượ ậ tương tự:

đi n áp, dòng điệ ện, t n s … ầ ố được bi n đổi thànhế tín ệu số ồ ậhi r i t p hợp thành các tập dữ ệ li u Quá trình này được x bử lý ằng các hàm toán học trongMATLAB

MATLAB đượ điề khiểc u n bởi các ậ t p lệnh, tác động qua bàn phím

Nó cũng cho phép một k ảh năng l p ậ trình ớ cú pháp thông dị v i ch l nh, còn ệ

g i ọ là Script ile Các ệnh hay ộ ệ f l b l nh MATLAB lên đ n số hàng trăm và ếngày cà đượng c m rở ộng bởi các ph n ầ Tools Box (hộp công cụ) hay thông qua các hàm ứng ụ d ng được xây dựng ừ người sử ụng MATLAB có hơn 25 t dTools Box để ợ tr giúp cho việc kh o ả sát những vấn đ liên quan trên Tools ềBox Simulink 1à phầ m rn ở ộng của Mat ab, ử ụng để ml s d ô phỏng các hệ thống động học m t cách nhanh óng và tiện lợi ộ ch

Bên cạnh đó MATLAB không chỉ cho phép đ t v n đ ặ ấ ề tính toán mà còn có thể ử x dlý ữ ệ li u, bi ểu ễ đồ ọdi n h a một cách thuận tiện, đơn giản và chính xác trong không gian 2D D b, 3 ởi những thư viện chu n, nhẩ ững hàm có

sẵn, hay được tạo bở ngườ ử ụng i i s d

Cơ sở ề v SIMULINK

SIMULINK là ần chương ph trình ứng d ng mụ ở ộ r ng của Matlab nhằm

m c ụ đích mô hình hoá, mô phỏng và khả sát, phân tích các hệ thốo ng đ ng ộ

học Phần m m ề này cho phép mô ả ệ tuyế tính, phi tuyến, trong miền thời t h n gian liên tục hay gián đoạn

Giao diện đ h a ồ ọ trên màn hình c a ủ SIMULINK cho phép thể ệhi n hệ thống dư i dạng ớ sơ đồ tín hiệu, các ốkh i ch c năng ứ quen thuộc SIMULINK cung c p ấ cho ngườ ử ụi s d ng m t ộ thư viện r t phong ú, có sẵn với sốấ ph lượng

lớn các khối chứ năng cho các ệ tuyến tính, phi tuyế và liên ục h n t c, gián đo n ạMuốn s dử ụng hay xây dựng mô hình nào đó người dùng chỉ ầ c n “nh n và ấkéo” chuột như đang xây d ng ự mô hình trên giấy Hơn th , ngư i sử ụế ờ d ng cũng cóthể ạo nên t các khối riêng c a ủ mình

Sau khi đã xây dựng mô hình ủ h c a ệ thống cần nghiên cứu ằngb cáchghép các ối cần thiết kh thành s c u ơ đồ ấ trúc c a h ủ ệ và có ểth kh i động ở quátrình mô phỏng Trong quá trình mô ỏph ng, có thể trích tín hiệu ại vị trí ất t b

k c a s c u ỳ ủ ơ đồ ấ trúc và hiể thị đặ tính của tín hiệ đó trên màn hình ơn n c u H

thế ữ n a, n u ế có nhu cầu có ể ấth c t giữ cácđặc tính đó vào môi trường nhớ (ví

dụ: cất lên đĩa cứng) Việ nhậ hoặ thay đổi tham ố ủ ấ ả ác khối c p c s c a t t c c cũng có thể đượ thự hiệc c n r t đ n giảấ ơ n b ng cách nhậằ p tr c ti p hay thông ự ếqua Matlab Để khảo sát h ệ thống, có thể ử ụng thêm các s d Toobox như Signal Processing (xử lý tín ệ Ohi u), ptim zatii on (tối ưu) h ay Control System (hệ ố th ng điều khiển)

Các kh i (block) dùng trong mô hìnhố

Khối Inport và Outport

Khối Inport à Outport là các khối đầ ào, đầ ra ủ ộ mô hình mô phỏng Tại h p tho i khối ộ ạ Parameter, ó thể c đi n vào ô Port khối ềInport và Outport mộ cách độc lập với t nhau, bắ ầt đ u t ừ 1 Khi b ổ sungthêm

kh i I oố np rt và Outport, khối ớ ẽ nhận ố thứ ự ế tiế Khi a một khối m i s s t k p xó

nào đó các khối còn ại sẽ đượ ự động đánl c t h s mố ới Trong ộ thoạ khối h p i Parameter củ Ina port, còn có ô Port with dùng để khai báo b rề ộng ủ tín c a

hiệu vào Khi ghép tín hi u b rệ có ề ộng lớn ho c h n b rặ bé ơ ề ộ đã khai báo ng

với Inport, ngay ập ức SIMULINK áo ỗl t b l i

Cần chú ý đ n một vài tham số quan trọng khác của khối Outport Ví ế

dụ, Outport when disabled cho hệ ố th ng biết cần xử lý tín hi u ra như ếệ th nào khi hệ thống mô phỏng đang ng ng không chạừ y (xóa về không hay giữ nguyên giá trị cuối cùng) Initial Outport cho biết giá trị ầ c n phải ra ban đầu

Thông qua các kh i Import và Outport thuố ộc tầng trên cùng (chứ không phải thuộc các hệ thống con), có thể ấ c t vào hay l y sấ ố ệ li u ra khỏi môi trường Workspace Đ làm điể ều đó ph i kích ho t các ô Input và Outport ở ả ạtrang Workspace I/O của hộp tho i Simulation parameter và khai báo (ạ ở ô

đ ềi n ch bên cạữ nh) tên c a bi n c n l y s li u vào, hay tên c a các bi n mà ủ ế ầ ấ ố ệ ủ ế

s g i s ẽ ử ố liệu tới

Khối Constant

Khối Constant tạo nên một hằng số (không phụ thuộc thời gian) ực th

hoặc phức Hằng số đó có thể là scalar, vector hay ma trận, tùy theo cách ta khai báo tham s ố Constant Va ue vl ào ô Interpret vector parameters as l D có -được ch n hay không N u ô đó đ c ch n, ta có th ọ ế ượ ọ ể khai báo tham sốconstant value là vector hàng hay cột v i kíchớ c ỡ [1 x n] hay [n x 1] d i ướ

dạng ma trận ế ô đó không đượ chọn, các vector hàng ộ đó chỉ được sử N u c c t

dụng như vector vớ chiêu dài n, tứ là tín hiệu 1 D i c

-Khối Product

Khối Product thực hiện phép nhân từng phầ ử n t hay nhân ma trận, cũng như phép chia giữa các tín hi u ệ vào (dạng 1 D hay - hay 2-D) của khối, phụ thuộc vào giá ị đặtr t của tham số Multiplication và Number of input Việc

chọn Multiplication = element-wise có nghĩa là: kết quả là tích hay thương

c a tủ ừng phần tử ủa tín hiệu vào (tương đương với phép tính =u1*u2 ủ c y c a MATLAB) Nếu Product chỉ ó c m t ộ đầu vào dạng vector, khi ấ các phầ t y n ử

của vector sẽ đượ nhân ớ nhau thành scalar ở đầc v i u ra

Khối Subsystem

Khối Subsystem đượ ử ục s d ng t o h để ạ ệ thố con trong ng khuônkhổ

c a mủ ột mô hình SIMULINK Việc ghép các mô hình thuộ các tầng ấ trênc c p được th c hi n nh kh i Inport (cho tín hi u ự ệ ờ ố ệ vào) và Outport ho tín hi u ra) (c ệ

S lố ượng đầ vào/ra ủa khối subsystem phụ thuộc số ượng khối Inport à u c l vOutport

Đầu vào/ra c a kh i Subsystem s ủ ố ẽ được đ t theo ặ tên ặ định ủa các m c c

khối Inport và Outport N u ế chọn Format/hide Port Labels trên menu của c a ử

s ổ khối Subsystem, có thể ngăn chặn được cách đ tên kể trên và chủ động ặt

đặt cho Inport và Outport các tên phù hợp h n v i ý nghĩa vật lý ơ ớ c a ủ chúng

Khối Controlled Current Source

Khối Controlled Current Source cung c p mấ ột nguồn dòng được

điều khiển b i m t tín hi u Simulink Chiều dương của dòng ệở ộ ệ đi n được bi u ể

diễn theo chiều mũi tên Giá trị ban đầu ủ c a dòng điệ đượn c nhập v hào ộp

thoại khai báo thông số

Mô hình nguồn phát xung sét chu ẩn thành l p ậ trong Matlab

Xung không chu ỳ ch ẩn dòng đ ệ là dạng xung cơ ả k u i n b n r t c n ấ ầ thiết cho việ thửc ngh m các thiết bị ảiệ b o v quá áp cệ ũng như thử nghi m cệ ách

đ ệi n c a các thi t b đi n Vi c xây d ng mô hình ngu n phát xung s ủ ế ị ệ ệ ự ồ ét chu n ẩđược th c hiệự n d a v biự ào ểu thức toán h c c a d ng xungọ ủ ạ sét không chu k ỳ[5] Các mô hình ng ồ u n phát xung trư c đây đều dự trên biểu thứớ a c g p ôấ đ i

hàm m vì ũ biể thứu c n ày đơn giả và dễ dàng n xác định các thông ố Tuy s nhiên, khi thự hic ện mô phỏng dựa trên biểu thức g p ôi ấ đ hàm mũ ại cho l ra

dạng sóng không hoàn toàn phù hợp với thực tế Sau đ y sẽ giớ thiệâ i u m t ộ mô hình nguồn phát xung sét tiêu chuẩn phù hợp hơn v i xung sét trong thự ếớ c t

đã được qui đ nh trong và ị ngoài nước T pừ hương trình mô t xung dòng điả ện chuẩn theo Heidler [5] có dạng:

2

10 ( t / )

m 1

10 1

1 out1

Im Im

-1 Gain

u^10 Fcn

T2

Decay timeConstant

n Correcttion factor

s

Controlled Current Source

1 Constant

Clock

Add

Hình 3.2 Nguồn dòng điện xung không chu k ỳ

Nhóm các khối vào một khối con Subsystem, dùng Edit Mask xây dựng khối này thành nguồn phát xung hoàn chỉnh có biên đ và d ng sóng đư c ộ ạ ợ

nhập bởi người sử ụ d ng, sau đó chép vào thư viện My_Library Ta được mô

hình nguồn dòng như (hình ẽ 3.3): v