7. Nội dung luận văn
1.5. Các thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp
1.5.1. Thiết bị cắt sét
Được mắc song song với tải, thiết bị này cĩ nhiệm vụ tản năng lượng sét vào đất. Khi mạng điện hoạt động bình thường, thiết bị cắt sét là một điện trở cĩ tổng trở rất lớn, nhưng lúc xuất hiện xung sét trên đường dây gây nên sự chênh lệch điện áp trên hai đầu thiết bị, nếu điện áp chênh lệch này vượt quá điện áp ngưỡng sẽ làm cho thiết bị hoạt động và dẫn phần lớn năng sét vào đất.
Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp
Trang 18
Hình 1.12. Tủ phân phối chính với thiết bị chống sét trên đường truyền
Do thiết bị cắt sét chỉ cĩ khả năng tiêu tán năng lượng sét và giới hạn điện áp mà khơng cĩ khả năng giảm tốc độ biến thiên dịng sét di/dt và tốc độ biến thiên điện áp sét dV/dt. Chính tốc độ tăng dịng và tăng áp này là nguyên nhân gây hư hỏng các thiết bị điện nhạy cảm. Vì vậy, cần phải mắc thêm một thiết bị lọc sét vào phía sau thiết bị cắt sét nhằm đưa ra mức điện áp và tốc độ biến thiên dịng, áp thích hợp cho các loại thiết bị điện.
Hình 1.13. Một số thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn và đường tín hiệu
1.5.2 .Thiết bị lọc sét
Thiết bị lọc sét này được mắc nối tiếp với tải hoạt động của thiết bị là cho ra mức điện áp thích hợp với hầu hết các thiết bị điện, giảm điện áp dư sau khi đã qua thiết bị cắt sét, đảm bảo biên độ điện áp giảm qua thiết bị luơn nằm trong giới hạn cho phép (230V) và giảm khoảng 1000 lần tốc độ tăng áp, tăng dịng của sét vào
Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp
Trang 19
thiết bị. Thiết bị lọc sét cịn hiệu chỉnh tốc độ biến thiên dịng điện và biến thiên điện áp của các dạng quá áp ở mức chấp nhận được.
Cáp vào ra khỏi bộ lọc (cả dây nối đất) nên được tách riêng với nhau một khoảng cách tối thiểu 300mm. Điều này sẽ ngăn bất kỳ các quá độ đi vào cáp vào cảm ứng sang cáp ra (cáp sạch). Nếu khơng gian lắp đặt khơng cho phép nên đặt hai dây cáp này thẳng gĩc với nhau và khơng được nằm song song với nhau.
1.6. Các tiêu chuẩn trong bảo vệ quá áp
Với sự phát triển của thiết bị điện tử, thiết bị điện và điện tử dựa trên mạch điện bán dẫn và bộ vi xử lý được sử dụng rộng rãi. Những thiết bị điện và điện tử tiên tiến này cĩ khả năng chịu được dung lượng xung sét yếu. Việc xuất hiện xung sét trong hệ thống nguồn cấp điện sẽ gây ra sự cố hoặc phá hủy các thiết bị này. Quá điện áp thay đổi khác nhau sinh ra bởi sét đánh và việc đĩng cắt cĩ tải là nguồn gốc chính của sự cố.
Kết quả của việc quá áp hệ thống luơn luơn sinh ra từ sét đánh, nhưng nĩ lại khơng phải là kết quả từ việc sét đánh trực tiếp. Thật ra, sự nguy hiểm của hầu hết thiết bị là do xung sét cảm ứng chạy dọc theo ống dẫn kim loại, cáp điện và các hệ thống đấu nối chung với hệ thống nối đất.
Do đĩ, các thiết bị bảo vệ chống sét được sử dụng rộng rãi ở hệ thống phân phối hạ thế để chống lại sự ảnh hưởng của xung sét gây ra. Việc lắp đặt và cấu hình của các thiết bị chống sét cĩ liên quan đến xung sét trong những vùng khác nhau tùy theo vào loại cấp vị trí của ANSI/IEEE Std. C62.41-1991 và cấp lắp đặt của IEC60664-1.
1.6.1. Bảo vệ quá áp theo ANSI/IEEE
Theo ANSI/IEEE Std. C62.41-1991 định nghĩa cĩ ba mức độ quá điện áp ở các cơng trình dựa trên các cấp vị trí như sau:
- Cấp C là vị trí của bên ngồi và đường nguồn hạ áp cấp điện cho tịa nhà. - Cấp B là cấp vị trí của đường dây cáp ngầm và mạch điện nhánh ngắn. - Cấp A là cấp vị trí lối ra và mạch điện nhánh dài, dài hơn 10m so với cấp B hoặc dài hơn 20m so với cấp C.
Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp
Trang 20
1.6.2. Bảo vệ quá áp theo IEC
Theo IEC60664-1, cĩ bốn mức quá độ điện áp được định nghĩa dựa trên cấp lắp đặt.
Quá điện áp loại IV dành cho thiết bị sử dụng ở ngõ vào tịa nhà (đường nguồn hạ áp) như đồng hồ điện, thiết bị cơng nghiệp và thiết bị bảo vệ quá dịng sơ cấp. Thiết bị chịu được điện áp <6000V.
Quá điện áp cấp III dành cho thiết bị ở tủ điện chính và cho trường hợp mà ở đĩ độ tin cậy và tính sẵn sàng của thiết bị phụ thuộc vào những yêu cầu đặc biệt như các cơng tắc ở tủ điện chính. Thiết bị này chịu được điện áp <4000V.
Quá điện áp loại II dành cho thiết bị tiêu thụ điện từ tủ điện chính như thiết bị, dụng cụ di động và thiết bị gia đình. Ở thiết bị này thường chịu được điện áp <2500V.
Quá điện áp loại I dành cho thiết bị nối với mạch điện mà sự đo lường được đưa vào để giới hạn quá điện áp tạm thời ở mức thấp thích hợp như mạch điện tử. Thiết bị nhạy cảm này chỉ chịu được điện áp <1500V.
Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp
Trang 21
1.6.3. Hệ thống bảo vệ chống sét hạ áp
Để bảo vệ quá áp cho các thiết bị dùng điện trong nhà, người ta thực hiện lắp đặt các thiết bị chống sét theo các mạng khác nhau nhằm bảo vệ một cách cĩ hiệu quả các thiết bị dùng điện.
Cấu trúc hệ thống bảo vệ quá áp trong mạng hạ áp phải tuân thủ theo các yêu cầu khác nhau, cụ thể tùy thuộc vào:
- Số lượng thiết bị, loại thiết bị bảo vệ quá áp, cách bố trí lắp đặt,…
- Lắp đặt thiết bị bảo vệ sao cho giới hạn quá áp phù hợp với mức cách điện xung của thiết bị được bảo vệ.
- Khả năng chịu dịng ngắn mạch của thiết bị bảo vệ quá áp phải lớn hơn giá trị dịng ngắn mạch cĩ thể xuất hiện tại vị trí lắp đặt.
- Khoảng cách giữa các thiết bị bảo vệ và thiết bị được bảo vệ.
- Đối với mạng điện 1 pha, 3 pha hạ áp thơng thường thiết bị bảo vệ quá áp được lắp đặt theo các trường hợp sau: (Hình 1.15a, 1.15b).
Hình 1.15a. Cách lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế (loại đơn cực và đa cực) dùng cho mạng điện 1 pha
Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp
Trang 22
Hình 1.15b. Cách lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp hạ thế (loại đơn cực và đa cực) dùng cho mạng điện 3 pha
Từ cách bố trí, lắp đặt thiết bị bảo vệ quá áp, cấu trúc hệ thống bảo vệ quá áp đa cấp được trình bày qua Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Trạng thái bảo vệ quá áp đối với lưới điện hạ áp
Mạng trung tính cách ly (trung tính máy biến áp cách ly với đất)
- DM (Differential Mode): Trạng thái này thiết bị bảo vệ quá áp được đặt giữa dây pha và dây trung tính của lưới điện.
- CM (Common Mode): Trạng thái mà thiết bị bảo vệ được lắp đặt giữa dây pha và dây bảo vệ nối đất (PE), giữa dây trung tính và dây PE, giữa dây pha và dây PEN.
Tổng quan hiện tượng quá độ và các thiết bị bảo vệ quá áp trên đường nguồn hạ áp
Trang 23
1.7. Lựa chọn các thiết bị bảo vệ quá áp
Để chọn các thiết bị bảo vệ quá áp thích hợp, cần căn cứ các yêu cầu sau:
1. Điện áp hiệu dụng cực đại của hệ thống . 2. Chế độ bảo vệ của thiết bị bảo vệ quá áp.
3. Thiết bị bảo vệ quá áp cĩ điện áp lớn hơn 10%-25% điện áp hệ thống. 4. Năng lượng quá độ trường hợp xấu nhất mà thiết bị bảo vệ quá áp phải
hấp thu. (Sử dụng hướng dẫn trong ANSI /IEEE C62.41-1980) 5. Điện áp kẹp yêu cầu để bảo vệ hệ thống.
Giới thiệu phần mềm MATLAB và xây dựng mơ hình máy phát xung
Trang 24
Chương 2
GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB & XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY PHÁT XUNG
Ngày nay, trên mạng phân phối hạ áp, các thiết bị điện điện tử sử dụng ngày càng nhiều với các tính năng ngày càng tiến bộ hơn nhưng bên cạnh đĩ chúng lại cũng dễ bị hư hỏng hơn bởi các xung quá áp quá độ. Một giải pháp hiệu quả để thiết kế các mạch bảo vệ quá áp hiệu quả là sử dụng kỹ thuật mơ phỏng của máy tính, lập mơ hình máy phát xung và mơ hình các phần tử bảo vệ, sau đĩ chạy mơ phỏng mạch để từ các kết quả thu được tiến hành phân tích đánh giá hệ thống bảo vệ.
Kỹ thuật mơ phỏng rất thuận lợi cho việc thiết kế, vừa tiết kiệm cơng sức, thời gian và tiền bạc. Các chương trình mơ phỏng này khơng thể hồn tồn thay thế được các thử nghiệm thực tế nhưng nhờ vào những bước mơ phỏng đầu tiên ta sẽ cĩ thể dự báo những đáp ứng, diễn biến của một hệ thống từ đĩ để cĩ được một thử nghiệm hợp lý.
Cĩ hai cách để thực hiện các quá trình mơ phỏng:
Cách 1 : Mơ tả mạch điện theo phương pháp tốn học (càng chi tiết càng tốt) sau đĩ sẽ cĩ chương trình viết sẵn thực hiện việc tính tốn cho mạch điện đĩ. Cách này địi hỏi phải cĩ các chương trình riêng cho từng trường hợp mạch điện để tránh các lầm lẫn về số.
Cách 2 : Sử dụng các chương trình phân tích hệ thống chẳng hạn như phần mềm PSPICE, MatLab, EMTP, ATP … ưu điểm chính của cách này là tính linh hoạt của nĩ. Người sử dụng khơng cần viết bất kỳ đoạn mã chương trình nào cho nên họ cĩ thể tập trung giải quyết các vấn đề của mạch điện. Những thay đổi trong sơ đồ mạch điện hay trong thuộc tính theo thời gian và thuộc tính theo tần số cũng được thực hiện một cách đơn giản. Sau khi thiết kế, tồn bộ mơ hình mạch bảo vệ được chèn vào xem như là một mạch điện phụ trong quá trình phân tích của cả hệ thống.
Giới thiệu phần mềm MATLAB và xây dựng mơ hình máy phát xung
Trang 25
Trong phạm vi của đề tài, người thực hiện sẽ sử dụng phần mềm Matlab để tiến hành lập mơ hình máy phát xung.
2.1. Giới thiệu phần mềm MATLAB
MATLAB là một cơng cụ phần mềm của MATHWORK, ban đầu nĩ được phát triển để phục vụ chủ yếu cho việc mơ tả các nghiên cứu kỹ thuật bằng tốn học với phần tử cơ bản là ma trận. Thuật ngữ MATLAB cĩ được là do hai từ Matrix và Laboratory ghép lại.
Ngày nay, MATLAB là phần mềm cĩ giao diện cực mạnh cùng nhiều lợi thế trong lập trình để giải quyết các vấn đề trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật. Phần mềm này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành: Điện-Điện tử, Vật lý hạt nhân, Điều khiển tự động, Robot…Trong lĩnh vực kỹ thuật, ta thường phải xử lý các dữ liệu rời rạc nên rất thuận lợi khi lưu trữ dưới dạng ma trận. Cịn các dạng dữ liệu liên tục như âm thanh, hình ảnh hoặc đơn giản hơn là các đại lượng vật lý tương tự: điện áp, dịng điện, tần số…được biến đổi thành tín hiệu số rồi tập hợp thành các file dữ liệu. Quá trình này được xử lý bằng các hàm tốn học trong MATLAB.
MATLAB được điều khiển bởi các tập lệnh M, tác động qua bàn phím. Nĩ cũng cho phép một khả năng lập trình với cú pháp thơng dịch lệnh - cịn gọi là Script file. Các lệnh hay bộ lệnh của MATLAB lên đến số hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi các phần Tools Box (hộp cơng cụ) hay thơng qua các hàm ứng dụng được xây dựng từ người sử dụng. MATLAB cĩ hơn 25 Tools Box để trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề cĩ liên quan trên. Các hộp cơng cụ bao gồm xử lý tín hiệu, thiết kế hệ thống điều khiển, tái tạo hệ thống động lực, nhận dạng hệ thống và các lĩnh vực khác.
Tools Box Simulink là phần mở rộng của Matlab, sử dụng để mơ phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chĩng và tiện lợi. Bên cạnh đĩ MATLAB khơng chỉ cho phép đặt vấn đề tính tốn mà cịn cĩ thể xử lý dữ liệu, biểu diễn đồ họa một cách thuận tiện, đơn giản và chính xác trong khơng gian 2D, 3D bởi những thư viện chuẩn, những hàm cĩ sẵn, hay được tạo bởi người sử dụng.
Giới thiệu phần mềm MATLAB và xây dựng mơ hình máy phát xung
Trang 26
Chương trình Matlab cĩ thể chạy liên kết với các chương trình ngơn ngữ cấp cao như C, C++
, Fortran, … khi cài đặt phần mềm cần chú ý việc dùng thêm vào các thư viện trợ giúp hay muốn liên kết phần mềm này với một vài ngơn ngữ cấp cao.
2.1.1 Cơ sở về SIMULINK
SIMULINK là phần chương trình ứng dụng mở rộng của Matlab nhằm mục đích mơ hình hố, mơ phỏng và khảo sát, phân tích các hệ thống động học. Phần mềm này cho phép mơ tả hệ tuyến tính, phi tuyến, trong miền thời gian liên tục hay gián đoạn.
Giao diện đồ họa trên màn hình của SIMULINK cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu và các khối chức năng quen thuộc. SIMULINK cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, cĩ sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và liên tục, gián đoạn. Muốn sử dụng hay xây dựng một mơ hình nào đĩ người sử dụng chỉ cần “nhấn và kéo chuột” như đang xây dựng mơ hình trên giấy. Hơn thế, người sử dụng cũng cĩ thể tạo nên các khối riêng của mình.
Sau khi đã xây dựng mơ hình của hệ thống, cần nghiên cứu bằng cách ghép các khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ và cĩ thể khởi động quá trình mơ phỏng. Trong quá trình mơ phỏng, cĩ thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ cấu trúc và hiển thị đặc tính của tín hiệu đĩ trên màn hình. Hơn thế nữa, nếu cĩ nhu cầu cĩ thể cất giữ các đặc tính đĩ vào mơi trường nhớ (ví dụ: cất lên đĩa cứng). Việc nhập hoặc thay đổi tham số của tất cả các khối cũng cĩ thể được thực hiện rất đơn giản bằng cách nhập trực tiếp hay thơng qua Matlab. Để khảo sát hệ thống, cĩ thể sử dụng thêm các Toobox như Signal Processing (xử lý tín hiệu), Optimization (tối ưu) hay Control System (hệ thống điều khiển).
Điểm nhấn mạnh quan trọng trong việc mơ phỏng một quá trình là việc thành lập được mơ hình. Để sử dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải cĩ kiến thức cơ bản về điều khiển, xây dựng mơ hình tốn học theo quan điểm của lý thuyết điều khiển và từ đĩ thành lập nên mơ hình của bài tốn.
Giới thiệu phần mềm MATLAB và xây dựng mơ hình máy phát xung
Trang 27
Hình 2.1. Thư viện Simulik trong chương trình Matlab
Hình 2.2 .Thao tác mở cửa sổ làm việc Hình 2.3. Cửa sổ làm việc
2.1.2. Các khối ( Block) sử dụng trong mơ hình
Khối Inport và Outport
Khối Inport và Outport là các khối đầu vào, đầu ra của một mơ hình mơ phỏng, khối Inport và Outport độc lập với nhau, bắt đầu từ 1. Khi bổ
sung thêm khối Inport và Outport, khối mới sẽ nhận số thứ tự kế tiếp.
Giới thiệu phần mềm MATLAB và xây dựng mơ hình máy phát xung
Trang 28
Cần chú ý đến một vài tham số quan trọng khác của khối Outport: Outport when disabled cho hệ thống biết cần xử lý tín hiệu ra như thế nào khi hệ thống mơ
phỏng đang ngừng khơng chạy (xĩa về khơng hay giữ nguyên giá trị cuối cùng),
Initial Outport cho biết giá trị cần phải lập cho đầu ra ban đầu.