Đánh giá khoảng cách bảo vệ có hiệu quả từ thiết bị bảo vệ chống sét hạ thế đến thiết bị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHAN THIỆN ÂN ĐÁNH GIÁ KHOẢNG CÁCH BẢO VỆ CÓ HIỆU QUẢ TỪ THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT HẠ ÁP ĐẾN THIẾT BỊ Chuyên ngành: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 06 - 2008 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH _ CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc _ Tp HCM, ngày tháng năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phan Thiện Ân Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 24/04/1981 Nơi sinh : Vĩnh Long Chuyên ngành : Thiết bị mạng nhà máy điện MSHV: 01806735 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ KHOẢNG CÁCH BẢO VỆ CÓ HIỆU QUẢ TỪ THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT HẠ THẾ ĐẾN THIẾT BỊ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu thiết bị bảo vệ áp đường nguồn hạ áp Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc biến trở oxide kim loại Xây dựng mơ hình biến trở oxide kim loại Tìm hiểu tiêu chuẩn chống sét xây dựng mơ hình nguồn phát xung hỗn hợp Lập mơ hình mơ xung sét hỗn hợp 1,2/50μs – 10kV 8/20μs – 5kA Lập mô mơ hình chống sét lan truyền ứng với loại chiều dài loại tải khác Đánh giá ảnh hưởng khoảng cách bảo vệ cho có hiệu từ thiết bị chống sét hạ áp đến thiết bị III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 09-2007 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06-2008 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS Quyền Huy Ánh Nội dung đề cương Luận văn Thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS TS QUYỀN HUY ÁNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH Ngày tháng năm 2008 TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH MỤC LỤC Trang Lời cảm tạ VI Lời cam đoan VII Tóm tắt đề tài VIII Một số từ viết tắt IX Phần Mở đầu I Đặt vấn đề II Nhiệm vụ Luận văn III Phạm vi nghiên cứu IV Phương pháp nghiên cứu V Các bước tiến hành VI Điểm Luận văn VII Giá trị thực tiễn đề tài VIII Nội dung Luận văn Phần Nội Dung Chương Tổng quan sét 1.1 Định nghĩa 1.2 Sự hình thành sét 1.3 Các giai đoạn phát triển sét 1.3.1 Giai đoạn phóng tia tiên đạo 1.3.2 Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa 1.3.3 Giai đoạn phóng điện ngược 1.4 Các thông số sét 1.4.1 Biên độ dòng sét xác suất xuất 1.4.2 Độ dốc đầu sóng dịng điện sét 1.4.3 Cường độ hoạt động sét 10 1.5 Các tác hại sét 10 1.5.1 Ảnh hưởng sét đánh trực tiếp 10 1.5.2 Ảnh hưởng lan truyền sóng điện từ gây dòng điện sét 11 1.6 Các phương pháp phòng chống 11 - II - 1.6.1 Chống sét đánh trực tiếp 12 1.6.2 Chống sét lan truyền 13 Chương Tổng quan thiết bị bảo vệ áp đường nguồn hạ áp 2.1 Giới thiệu 17 2.2 Hiện tượng độ 17 2.3 Tỷ lệ xuất hiện tượng độ 19 2.4 Hiện tượng độ tiêu biểu 20 2.5 Bảo vệ độ 21 2.6 Các thiết bị bảo vệ áp 22 2.6.1 Bộ lọc 22 2.6.2 Máy biến áp cách ly 23 2.6.3 Khe hở phóng điện 23 2.6.4 Diode thác Silic 25 2.6.5 Biến trở oxit kim loại 25 2.7 So sánh thiết bị bảo vệ áp phổ biến 27 2.8 Lựa chọn thiết bị bảo vệ áp 28 Chương Cấu tạo nguyên lý làm việc biến trở Oxit kim loại 3.1 Cấu tạo 30 3.1.1 Giới thiệu 30 3.1.2 Cấu trúc vi mô 31 3.2 Tính hoạt động biến trở Oxit kim loại (MOV) 33 3.3 Đặc tính V-I 36 3.4 Sơ đồ tương đương 38 3.4.1 Trong vùng dòng điện rò thấp 39 3.4.2 Trong vùng hoạt động bình thường 39 3.4.3 Trong vùng dòng điện cao 40 3.5 Thời gian đáp ứng 40 3.6 Năng lượng cho phép công suất tiêu tán trung bình 42 3.6.1 Năng lượng cho phép 42 3.6.2 Cơng suất tiêu tán trung bình 43 3.7 Ảnh hưởng nhiệt độ 44 - III - 3.8 Các đặc tính MOV hư hỏng thường gặp áp xảy 45 Chương Các tiêu chuẩn chống sét xây dựng mơ hình nguồn phát xung hỗn hợp 4.1 Khái qt tiêu chuẩn chống sét lan truyền 47 4.1.1 Giới thiệu 47 4.1.2 Bảo vệ áp theo ANSI/IEEE 47 4.1.3 Bảo vệ áp theo IEC 47 4.1.4 Các trạng thái bảo vệ áp 48 4.2 Giới thiệu sơ lược phần mềm Matlab 50 4.2.1 Định nghĩa 50 4.2.2 Cài đặt Matlab 51 4.3 Xây dựng mơ hình nguồn phát xung 54 4.3.1 Các dạng xung khơng chu kỳ chuẩn phương trình tốn 54 4.3.2 Xây dựng mơ hình nguồn phát xung 56 4.3.3 Xây dựng mơ hình nguồn phát xung hỗn hợp 60 4.3.4 Mô máy phát xung hỗn hợp Matlab 62 Chương Mơ hình biến trở Oxit kim loại 5.1 Giới thiệu 66 5.2 Mơ hình điện trở phi tuyến 66 5.2.1 Mơ hình tốn 66 5.2.2 Cấu trúc mơ hình 67 5.3 Mơ hình MOV Schmidt 68 5.4 Mơ hình MOV IEEE 69 5.4.1 Mơ hình tốn 69 5.4.2 Xác định thông số 70 5.5 Mơ hình MOV Matlab 73 5.5.1 Mơ hình 73 5.5.2 Nguyên lý làm việc mơ hình 74 5.6 Xây dựng mơ hình MOV hạ 75 5.6.1 Cấu trúc mơ hình MOV hạ 75 5.6.2 Xây dựng mơ hình điện trở phi tuyến Matlab 77 - IV - 5.6.3 Xây dựng mơ hình MOV hạ Matlab 78 5.6.4 Kiểm tra đáp ứng mô hình MOV với mơ hình xung dịng 8/20µs 82 Chương Đánh giá khoảng cách bảo vệ có hiệu từ thiết bị chống sét đến thiết bị 6.1 Giới thiệu sơ đồ phân tích 90 6.2 Các thông số mơ hình 91 6.3 Phân tích kết mơ 92 6.3.1 Khoảng cách 1m thiết bị bảo vệ áp tải 93 6.3.2 Khoảng cách 10m thiết bị bảo vệ áp tải 102 6.3.3 Khoảng cách 100m thiết bị bảo vệ áp tải 109 6.4 Đánh giá kết mô 116 Phần Kết luận 121 Tài liệu tham khảo 123 Phụ lục -V- LỜI CẢM TẠ Người thực chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cô Khoa Điện trường Đại học Bách Khoa, đặc biệt hướng dẫn tận tụy thầy Quyền Huy Ánh Thầy hướng dẫn, đào tạo, động viên tạo điều kiện cho người thực hoàn thành đề tài Con xin chân thành cảm ơn Ba Mẹ sinh thành nuôi dạy ngày trưởng thành sống Ba Mẹ vừa chỗ dựa tinh thần vững vừa gương sáng cho phấn đấu noi theo Bên cạnh đó, người thực đồng cảm tạ anh chị, bạn bè, đồng nghiệp quan quan tâm giúp đỡ suốt thời gian học tập hoàn thành đề tài Xin chân thành cảm ơn Người thực Phan Thiện Ân - VI - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các liệu trích từ IEEE, IEC; liệu hình ảnh MOV hạ nhà sản xuất Siemen, ABB, AVX, Littelfuse trung thực Các kết nêu luận văn trung thực chưa có cơng bố cơng trình - VII - TÓM TẮT ĐỀ TÀI Thiệt hại sét lan truyền đến thiết bị thực tế lớn mạng hạ áp cung cấp trực tiếp đến thiết bị dùng điện Tuy nhiên, Việt Nam người sử dụng quan tâm trang bị thiết bị chống sét đánh trực tiếp mà chưa quan tâm đến việc trang bị thiết bị chống sét lan truyền Hiện nay, để xác định tác hại áp hệ thống điện phân phối thường dựa vào phần mềm mô để đánh giá thiết bị chống sét thay cho mô hình cụ thể với ưu điểm kết có độ tin cậy xác cao Bên cạnh đó, việc đánh giá khoảng cách thiết bị chống sét thiết bị cho có hiệu có chưa thực Từ đó, đề tài: “Đánh giá khoảng cách bảo vệ có hiệu từ thiết bị chống sét hạ áp đến thiết bị” lựa chọn để mô Và đề tài bao gồm nội dung sau: Xây dựng mơ hình biến trở oxit kim loại hạ (MOV) Mơ hình giúp hiểu rõ thành phần cấu tạo, nguyên lý làm việc MOV Lập mô hình mơ máy phát xung sét hỗn hợp, xung áp 1,2/50μs xung dòng 8/20μs, thiết lập chương trình Matlab Lập mơ hình mơ bảo vệ áp hệ thống điện pha với nguồn phát xung xây dựng với chiều dài cáp nối khác nhau, loại tải khác (tải trở, tải dung, tải cảm, tải hỗn hợp) Đánh giá ảnh hưởng khoảng cách cáp nối từ thiết bị chống sét đến thiết bị (ứng với thiết bị điện từ chịu điện áp tạm thời mức thấp) Kết với chiều dài cáp nối loại tải khác nhau, hiệu bảo vệ thiết bị khác Khi khoảng cách thiết bị chống sét thiết bị sử dụng điện gia tăng cần thiết phải lắp thêm thiết bị chống sét, lắp hai đầu cáp nối Việc phân bố hợp lý giúp nâng cao khả bảo vệ thiết bị chống sét lan truyền, giảm thiệt hại đến mức tối thiểu sét gây thiết bị điện hạ áp - VIII - Một số từ viết tắt: ANSI : American National Standards Institute : Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ CB : Circuit Breaker : Máy ngắt CM : Common Mode : Trạng thái phổ biến DM : Differential Mode : Trạng thái GDT : Gas Discharge Tube IEC : Ống phóng khí : International Electrotechnical Commission : Hiệp hội kỹ thuật quốc tế IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers : Học viện kỹ sư điện – điện tử MBA : Máy biến áp MDB : Main Distribution Board : Tủ phân phối MOV : Metal Oxit Varistor : Biến trở Oxit kim loại PE : Bảo vệ nối đất : Protect Earth PEN : Protect Earth - Neutral : Bảo vệ trung tính + bảo vệ nối đất nối chung SDB : Sub Distribution Board : Tủ phân phối phụ SPD : Surge Protection Device : Thiết bị bảo vệ áp TGS : Trigger Spark Gap : Khe hở phóng điện - IX - ƒ Tần số truyền: 0,5÷15MHz ƒ Dịng tải cực đại đến 1.5A ƒ UTB-SA UTB TA bảo vệ đường điện thoại đường modem ƒ Đấu nối kiểu vặn ốc Thiết bị chống sét đường truyền tốc độ cao: Thiết bị HSP (High Speed Protector) ƒ Khả tản xung sét: 20kA 8/20µs ƒ Bảo vệ 10 đôi dây ƒ Bảo vệ đa chế độ ƒ Tốc độ truyền 8Mb/s hay 12MHz ƒ Dòng tải cực đại 150mA ƒ Đấu nối kiểu giá krone Thiết bị chống sét cho mạng máy tính đường truyền tín hiệu hình ƒ Khả tản xung sét đến 20kA 8/20μs ƒ Tần số truyền đến 100Mb/s ƒ Suy hao xen vào thấp: