Mơ hình hĩa khe h phĩng đi n đ c thống nhất gồm ba ph ơng pháp:
Sử d ng cơng th c và nh ng biểu đồ để cung cấp nh ng tham số tùy thuộc vào từng tr ng h p đặc bi t.
Xem khe h phĩng đi n nh là một phần tử hai c c, trong đĩ đặc tính V-I
đ c cho b i mối t ơng quan v t lý v i một số tham số t do, phù h p để đo l ng biểu đồđi n áp và dịng đi n.
Mơ hình v t lỦ phĩng đi n khí, tái hi n quá trình v t lý c a hi n t ng phĩng
đi n khe h một cách chi tiết.
Trong th c tế, các ph ơng pháp trên rất khĩ th c hi n, ph ơng pháp đầu tiên là một ph ơng pháp khơng cĩ kh năng kết h p s tác động qua l i gi a nh ng
phần tử khác nhau trong m ch đi n. Cịn ph ơng pháp mơ t v t lý c a quá trình
phĩng đi n cĩ thể đ c sử d ng cho vi c trình bày s chuyển đổi từ tia sáng đến phát tia lửa đi n, thiết l p b i Marode, nh ng nh thếthì ph ơng pháp l i quá ph c t p. B i vì chúng ta khơng quan tâm đến nh ng chi tiết v t lý c a s phĩng đi n trong trong ống phĩng khí, mà chỉ quan tâm đặc tính I ậV và đáp ng c a h thống. Vì v y ph ơng pháp th hai là ph ơng pháp phù h p nhất cho đáp ng mơ hình khe h phĩng đi n trong một m ch b o v .
Hai đặc tính chính trong khe h phĩng đi n th ng đ c quan tâm thiết l p là:
S khác nhau về th i gian đ t t i đi n áp đánh th ng th c tế đối v i
xung đi n áp quá độ cĩ tốc độtăng tr ng đầu sĩng khác nhau.
Đi n tr c a khe h phĩng đi n trong kho ng th i gian khe h bị đánh th ng.
Trong m ch b o v quá áp cĩ s phối h p c a các thiết bị b o v , nh ng thơng số cần quan tâm c a khe h phĩng đi n là th i gian tr thống kê và đi n tr c a nĩ trong suốt quá trình chuyển từ tia sáng đến phát tia lửa đi n. Thơng tin về th i gian tr này cĩ đ c từ vi c đo l ng bằng một nguồn dịng v i một hằng số tốc độ tăng tr ng và cĩ thể đ c trình bày d i d ng b ng hoặc bằng cơng th c nội suy:
td=aS-b (3.1)
đây : td là kho ng th i gian trì hoưn hay th i gian ch m phĩng đi n, S là độ dốc đi n áp, a và b là h số kinh nghi m đối v i từng lo i khe h phĩng đi n.
Trên lỦ thuyết, khi tiến hành l p mơ hình c a khe h phĩng đi n, các nhà nghiên c u đều ph i quan tâm đến giá trị đi n tr c a khe h khi x y ra đánh th ng. Tất c đ c biểu di n chung bằng cơng th c sau:
r(t) = n o m d i kd () (3.2) đây : i _ là dịng qua khe h . d _ là chiều dài c a khe h .
Trong mỗi tr ng h p cĩ từng gi thiết khác nhau, cần xác định h số kinh nghi m k cho từng tr ng h p trên.
3.2.3 Mơ hình khe hở phĩng đi n khơng khí Spark gap
Nh đư trình bày các phần trên, vi c mơ hình hố khe h phĩng đi n c c kỳ ph c t p. Dù khe h phĩng đi n đư đ c sử d ng từ rất lâu vào nh ng năm đầu c a thế k 20 nh ng đến nay nĩ v n tiếp t c đ c sử d ng do cấu t o đơn gi n, rẻ tiền và cĩ đi n dung kỦ sinh thấp nhất trong các thiết bị phi tuyến b o v quá áp. Phần l n tất c các mơ hình c a khe h phĩng đi n đều đ c xây d ng trên phần mềm PSPICE và EMTP.
V i m c đích xây d ng một mơ hình đơn gi n c a khe h phĩng đi n khơng khí cĩ đáp ng đúng v i th c tế và v i độ chính xác vừa ph i d a trên các thơng số đ c cung cấp b i nhà s n xuất (khơng cần ph i tính tốn lặp để xác định thơng số) trên phần mềm MATLAB để tham kh o và từ kết qu thu đ c tiến hành mơ phỏng đánh giá s phối h p c a các thiết bị b o vẹ quá áp trên đ ng nguồn h áp.
3.2.3.1 Mơ hình Spark Gap đ n gi n:
Mơ hình lấy Ủ t ng từ mơ hình khe h phĩng đi n c a Larsson, v i một số hi u chỉnh: đi n tr R1 là đi n tr rị c a khe h đ c nối song song v i khố đĩng cắt K (cĩ giá trị 100M), đi n dung c a khe h C1 do cĩ giá trị rất bé (kho ng 2pF) nên đ c bỏ qua, đi n c m c a dây d n c a khe h L1 kho ng 1nH/mm chỉ cĩ tác d ng gi i h n tăng tr ng c a dịng theo th i gian nên cũng khơng xem xét đến.
Giá trị đi n tr c a khe h khi x y ra quá trình đánh th ng, quá trình này đi n áp gi m xuống đột ngột và dịng qua khe h bắt đầu gia tăng là quá trình c c ngắn và cĩ thể bỏ qua. Do đĩ trong mơ hình đ c gi i thi u, đi n tr R ph thuộc th i gian đ c mơ hình theo ph ơng trình c a Toepler trong trong khối RC đ c bỏ qua.
M ch t ơng đ ơng c a mơ hình khe h khơng khí đ c trình bày trong
Rarc SC R1 P2 p1 V (t)
Hình 3.2: Mơ hình khe hở khơng khí đ ngh
Đi n áp đánh th ng đ c mơ hình trong khối SC (Switch Control). Khi đi n áp đặt vào khe h (trên khĩa đĩng cắt K) đ t đến giá trị đi n áp đánh th ng. Trong đĩ, nh ng h số kinh nghi m đ c thiết l p từ vi c đo l ng, sử d ng một nguồn áp v i hằng số tỉ l tăng tr ng. Khi đi n áp đ t giá trị đi n áp đánh th ng, khĩa đĩng cắt đĩng l i, khe h bị đánh th ng. Điều này rất đúng v i ho t động th c tế c a các khe h phĩng đi n khơng khí. Khi đi n áp trên 2 c c c a khe h đ t giá trị đi n áp đánh th ng thì khơng ph i khe h l p t c phĩng đi n mà ph i tr i qua một kho ng th i gian tr , kho ng th i gian tr này cịn gọi là th i gian ch m phĩng đi n ph thuộcvào độ dốc c a xung quá áp đặt vào.
tr ng thái hồ quang bùng cháy, giá trị đi n áp hồ quang khá ổn định. Giá trị đi n áp hồ quang điển hình cho hầu hết khe h phĩng đi n h áp th ng là 10-
25V. Trong mơ hình đ c đề nghị đi n áp hồ quang đ c thay thế bằng mơ hình hồ quang đ c mắc song song v i khĩa đĩng cắt.
Mơ hình khe h khơng khí trên đây là thiết bị hai c c v i đặc tính hai chiều (dịng thu n và dịng ng c đối x ng). Một điều l u Ủ là khĩa đĩng cắt c a khe h khơng khí sẽ khơng thể chuyển sang tr ng thái “off” khi c ng độ dịng đi n gi m xuống d i giá trị c ng độ dịng đi n duy trì (th ng là 100 mA) hay đi n áp s t d i đi n áp phát sinh hồ quang.
Thơng số c a mơ hình đ c xác định từ số li u trên thiết bị đ c cho b i nhà s n xuất:
Đi n áp đánh th ng Vbreak.
Th i gian tr hay th i gian trì hoưn ch m phĩng đi n c a khe h td.
3.2.3.2 Xơy d ng s đ kh i mơ hình Spark Gap.
- Khối đĩng cắt SC:
Khối V1 (Voltage measurement) đo đi n áp hai đi n c c c a khe h , sau đĩ tín hi u đi n áp liên t c này đ c chuyển sang tín hi u r i r c (nhằm tăng tốc quá trình xử lỦ, tránh các vịng lặp đ i số) b i khối Transfer Fcn cĩ chu kỳ lấy m u
là 0.001s. Tín hi u đi n áp ra c a khối Transfer Fcn đ c lấy trị tuy t đối qua khối Abs và đi vào khối so sánh (Compare to Constant) để so sánh v i giá trị đi n áp đánh th ng Vb c a khe h . Khi đi n áp 2 c c khe h v t quá giá trị đi n áp đánh th ng thì ngõ ra c a khối Compare to Constant sẽ xuất tín hi u điều khiển (logic 1) đĩng khĩa Breaker.
Hình 3.3: S đ kh i đi u khi n SC
- Khối khe h :
Sơ đồ trong Hình 3.3 đ c xem t ơng đ ơng v i khối Breaker, hai phần tử đi n tr R1, Rarc c a mơ hình đ c khai báo trong khối Breaker. Nh đư trình bày phần trên, đi n tr rị R1 c a khe h cĩ giá trị là 100M đ c khai báo trong thơng số Snubber resistance Rs, đi n tr hồ quang Rarc cĩ giá trị là 1m đ c khai báo trong thơng số Breaker resistance Ron. đây khối Breaker sử d ng tín hi u điều khiển đĩng cắt từ bên ngồi (External control mode), tr ng thái ban đầu c a khĩa là tr ng thái m (thơng số Initial state bằng 0).
Hình 3.4: Khai báo các thơng s trong Breaker
- Liên kết khối điều khiển đĩng cắt và khối khe h l i thành sơ đồ mơ phỏng đơn gi n hĩa cĩ d ng:
Hình 3.5: S đ mơ ph ng phĩng đi n khe hở khơng khí trong MATLAB
T o b ng khai báo thơng số đi n áp đánh th ng c a thiết bị chống sét cần mơ phỏng bằng cách sử d ng ch c năng Mask Editor để thu n ti n cho vi c mơ phỏng các khe h khơng khí cĩ các thơng số khác nhau.
T o biểu t ng cho khối chống sét khe h :
Trong Icon, sử d ng hàm plot(x,y) vẽ biểu t ng Spark Gap cho mơ hình.
Plot([0 0],[-100 -20],[0 0],[100 20],[0.01 0],[-60 -10],[-0.01 0],[-60 -10],[0.01 0],[60 10],[-0.01 0],[60 10])
Hình 3.6: T o bi u t ng cho mơ hình trong MatLab
Nhấn nút Apply và lúc này mơ hình cĩ d ng.
Hình 3.7: Bi u t ng mơ hình khe hởphĩng đi n khơng khí Spark Gap
3.2.4 Mơ ph ng mơ hình Spark Gap.
Theo tiêu chuẩn IEC 61643-1(Surge protective devices connected to low-
voltage power distribution systems), yêu cầu thử nghi m cho các thiết bị chống sét cĩ class I nh sau:
- Thử nghi p phĩng đi n đối v i xung dịng chuẩn 8/20s, biên độ c a xung dịng đ c chọn 1 trong các số li u sau: 1kA; 2kA; 5kA; 10kA; 20kA.
- Thử nghi p phĩng đi n đối v i xung áp chuẩn 1,2/50s.
- Giá trị c a cấp đi n áp b o v (đi n áp phĩng đi n) theo các chuẩn sau:
0,08; 0,09; 0,1; 0,12; 0,15; 0,22; 0,33; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,2; 1,5; 1,8; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8 và 10kV.
Mơ hình Spark Gap vừa t o đ c kết nối vào m ch đi n, sử d ng nguồn phát xung đ a xung áp và xung dịng vào m ch đi n để kiểm tra đáp ng c a mơ hình so v i khe h phĩng đi n khơng khí trong th c tế.
- Sơ đồ mơ phỏngSpark Gap v i nguồn xung áp nh Hình 5.18:
Hình 3.8: S đ m ch mơ ph ng Spark Gap v i ngu n xung áp
Tiến hành mơ phỏng v i một Spark Gap c a hưng EPCOS lo i SSG3X-1 cĩ
đi n áp đánh th ng là 3000V. Sử d ng nguồn xung áp 1.2/50s cĩ biên độ là 5kV. Nh p các thơng số c a khe h vào mơ hình nh Hình 3.9:
Kết qu mơ phỏng nh Hình 3.10.
Hình 3.10a: Đáp ng c a Spark Gap cĩ Vbreak=3kV v i xung áp 1.2/50µs 5kV
Từ đồ thị mơ phỏng cho thấy đáp ng c a mơ hình khe h khơng khí cĩ d ng giống v i đặc tính V-t c a khe h th c. Giá trị đi n áp đánh th ng c a mơ hình là 3.822V thấp hơn giá trị thử nghi m c c đ i cho trong catalogue c a khe h là 3.900V. Kết qu đư minh ch ng đáp ng c a mơ hình là phù h p v i khe h khơng khí trong th c tế.
Tiếp t c thử nghi m mơ phỏng v i Spark Gap DGP B255 c a hưng DEHN cĩ đi n áp đánh th ng 3000V. Sử d ng nguồn xung áp 1.2/50s cĩ biên độ là 10kV. Kết qu mơ phỏng:
Hình 3.10b: Đáp ứng của Spark Gap cĩ Vbreak=3kV v i xung áp 1.2/50µs 10kV
Đi n áp đánh th ng đo đ c là 3923 V, nhỏ hơn so v i số li u c a nhà s n xuất là Ubreak max = 4000V.
B ng 3.2: K t qu so sánh khi mơ ph ng SSG3X-1 c a hãng EPCOS và DGP B255 c a hãng DEHN v i ngu n xung áp 1.2/50 µs.
Đi n áp d trên
SG (crest)
SSG3X-1 DGP B255
5 kA 10 kA
Theo Catalogue(V)_Vrcat 3900 4000
Theo mơ hình (V)_Vrmod 3822 3923
Sai số(%)_∆V 2 1.9
- Sơ đồ mơ phỏng Spark Gap v i nguồn xung dịng nh Hình 3.11:
Hình 3.11: S đ m ch mơ ph ng Spark Gap v i ngu n xung dịng
Th c hi n mơ phỏng cho Spark Gap c a hưng PHOENIX CONTACT lo i
FLASHTRAB FLT-PLUS cĩ đi n áp đánh th ng là 3000V. Sử d ng nguồn xung
dịng 8/20s cĩ biên độ là 4kA.
Kết qu đáp ng c a Spark Gap nh Hình 3.12.
Đi n áp đánh th ng đo đ c là 4754 V, nhỏ hơn so v i số li u c a nhà s n xuất là Ubreak max = 5000V.
B ng 3.3: K t qu so sánh khi mơ ph ng FLASHTRAB FLT-PLUS c a hãng PHOENIX CONTACT v i ngu n xung dịng 8/10µs.
Đi n áp d trên
MOV (crest)
DGP B352 4 kA
Theo Catalogue(V)_Vrcat 5000
Theo mơ hình (V)_Vrmod 4754
Sai số(%)_∆V 4.9
Nh n xét:
- Sai số đi n áp d c a SG so v i số li u cung sấp nhà s n xuất là nhỏ hơn 5% phù h p v i yêu cầu theotiêu chuẩn IEC.
3.3 Mơ hình MOV
3.3.1 MOV (Metal Oxide Varistor)
Cơng ngh này sử d ng các phiến oxyde kim lo i (MOV) làm phần tử t n sét
vì các MOV cĩ các u điểm v t trội nh : h số phi tuyến cao, dịng rị nhỏ, kh
năng t n sét tốt (từ vài ch c đến vài trăm kA), th i gian đáp ng nhanh (<25ns) và giá trị đi n dung nội t i nhỏ. Nh ng cơng ngh này địi hỏi chế độ lắp đặt và v n hành nghiêm ngặt nh : đi n áp m ng ph i ổn định, h n chế sử d ng khi t i là các máy hàn, các UPS hay khi nguồn là các máy phát đi n cĩ chất l ng khơng cao, …
S dĩ cĩ các điều ki n này là do khi trong m ng xuất hi n các xung đỉnh nhọn cĩ tần số cơng nghi p hay các quá áp t m th i v t quá giá trị đi n áp ng ng c a MOV thì các thiết bị chống sét sẽ ho t động bất kể nguyên do từ đâu và sẽ cắt liên t c 100 lần trong một chu kỳ. Vi c này d n đến MOV bị quá nhi t, phát cháy hay gi m tuổi thọ. Một số nhà chế t o khắc ph c nh c điểm này c a MOV bằng cách mắc nối tiếp v i các MOV cơng tắc c m biến nhi t. Khi các MOV bị quá nhi t thì các cơng tắc này sẽtác động cách ly MOV ra khỏi m ng. Nh ng nếu chính trong th i
đo n này xuất hi n sét thì thiết bị cần b o v sẽh hỏng vì khơng đ c b o v . Ph m vi sử d ng c a các thiết bị chống sét chế t o theo cơng ngh MOV là b o v chống sét lan truyền trên đ ng cấp nguồn các m ng đi n cĩ chất l ng điều áp cao.
Mơ hình MOV c a MatLab là một đi n tr phi tuyến. Đặc tuyến phi tuyến V-I c a mơ hình đ c thành l p b i ba đo n khác nhau c a ph ơng trình
hàm mũ: i ref i ref I I K V V / 1 . (3.3)
Các giá trị Ki và i đ c khai báo trên hộp tho i. V i mỗi đo n khác nhau c a ph ơng trình hàm mũ, giá trị K và sẽkhác nhau và nh v y quan h dịng, áp c a mơ hình sẽnh Hình 3.13
Hình 3.13: Quan h dịng đi n ậđi n áp c a mơ hình MOV.
Hộp tho i và các thơng số cần khai báo nh sau:
Hình 3.14: H p tho i c a mơ hình MOV trong Matlab.
Các thơng số cần khai báo: