Nghiên cứu giải pháp chống sét cho thiết bị điện tử theo tiêu chuẩn TCVN 9888-2013
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT CHO THIẾT BỊ
ĐIỆN TỬ THEO TIÊU CHUẨN TCVN 9888-2013
STUDY LIGHTNING SOLUTIONS FOR ELECTRONIC EQIPMENT
IN ACCORDANCE WITH TCVN 9888-2013
Võ Thiện Hoàng1
1Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Trong mạng phân phối điện, quá điện áp do sét lan truyền trên đường cấp nguồn là nguyên
nhân chủ yếu làm hư hỏng các thiết bị điện tử trong công trình. Vì vậy, việc đề ra giải pháp
chống sét cho thiết bị điện tử là rất cần thiết. Luận văn này nghiên cứu các biện pháp bảo vệ hệ
thống điện và điện tử chống xung sét điện từ và chống xung sét lan truyền trên đường nguồn hạ
áp theo tiêu chuẩn TCVN 9888-2013. Xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn, xây dựng mô
hình SG và MOV trong Matlab. Đánh giá hiệu quả bảo vệ ứng với các kiểu phối hợp SPD khác
nhau. Cung cấp các mô hình SPD phục vụ công tác nghiên cứu hiệu quả bảo vệ chống sét lan
truyền trên đường nguồn hạ áp. Kết quả nghiên cứu cung cấp công cụ mô phỏng hữu ích cho các
nhà nghiên cứu, các NCS, các học viên cao học và dùng làm tài liệu tham khảo khi nghiên cứu
các biện pháp bảo vệ chống xung sét điện từ cho các thiết bị điện, thiết bị điện tử bên trong tòa
nhà và hiệu quả bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguồn với các kiểu phối hợp SPD khác
nhau.
Từ khóa: TCVN 9888-2013; máy phát xung; SG; MOV; SPD.
ABSTRACT
In the electricity distribution network, the overvoltage caused by lightning spreading along
the power line is the major cause of damage to electronic equipment in the building. Therefore,
the design of lightning protection solutions for electronic equipment is very necessary. This
dissertation deals with the protection of electrical and electronic systems against
electromagnetic clocks and lightning strikes spreading on low voltage power lines according to
standard TCVN 9888-2013. Build the standard pulse generator model, build the SG and MOV
model in Matlab. Evaluate the protection effect for different types of SPD combinations. Provide
SPD models for effective research on lightning protection propagation on low voltage power
lines. Research results provide a useful simulation tool for researchers, NCSs, graduate students
and reference material when researching electromagnetic shielding measures for equipment.
electricity, electronic equipment inside the building and lightning protection effect spread on the
source line with different types of SPD coordination.
Keywords: TCVN 9888-2013; pulse generator; Spark Gap; Metal Oxide Varistor; Surge
Protective Device
1. GIỚI THIỆU
tiết và địa hình khác nhau thì đặc điểm về
hoạt động dông sét khác nhau. Vì vậy, ngoài
việc tiếp nhận các kết quả nghiên cứu của thế
giới, mỗi nước cần phải tự tiến hành điều tra,
nghiên cứu về đặc tính hoạt động dông sét và
các thông số phóng điện sét trên lãnh thổ của
mình để từ đó đề ra những biện pháp phòng,
chống sét thích hợp, hiệu quả. Vì vậy, việc đề
ra giải pháp chống sét cho thiết bị điện tử theo
tiêu chuẩn TCVN 9888:2013 là cần thiết.
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực
nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu Việt Nam rất
thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của
dông sét. Trong mạng phân phối điện, quá
điện áp do sét lan truyền trên đường cấp
nguồn là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự
cố và làm hư hỏng các thiết bị điện và đặc
biệt là các thiết bị điện tử trong công trình. Ở
các vùng lãnh thổ với điều kiện khí hậu, thời
Luận văn này đi sâu nghiên cứu các
biện pháp bảo vệ hệ thống điện và điện tử
chống xung sét điện từ theo TCVN
9888:2013, xây dựng mô hình máy phát xung
tiêu chuẩn, mô hình thiết bị triệt xung theo
công nghệ MOV, đánh giá hiệu quả bảo vệ
ứng với các kiểu phối hợp SPD khác nhau.
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu hệ thống bảo vệ chống
xung sét điện từ: che chắn từ và cách thức đi
dây, hệ thống tiếp đất và bao bọc.
Hình 1. SPM sử dụng màn chắn không gian
và hệ thống SPD phối hợp – Thiết bị được
bảo vệ tốt chống các đột biến dẫn ( U2<< U0
và I2<< I0) và chống trường từ bức xạ (
H2<< H0 ).
Nghiên cứu các kiểu phối hợp SPD
bảo vệ xung quá độ do sét lan truyền trên
đường nguồn.
Xây dựng mô hình SG, và MOV
trong Matlab.
Đánh giá hiệu quả bảo vệ chống
xung sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp
của các kiểu phối hợp SPD.
2. TIÊU CHUẨN TCVN 9888-4:2013
2.1. Giới thiệu tiêu chuẩn TCVN
9888-4:2013
Tiêu chuẩn này cung cấp thông tin cho
việc thiết kế, lắp đặt, kiểm tra, bảo trì và thử
nghiệm biện pháp bảo vệ hệ thống (SPM)
điện và điện tử để giảm rủi ro hỏng vĩnh viễn
do xung sét điện từ (LEMP) trong các kết
cấu. Tiêu chuẩn này không đề cập đến các
thiết kế chi tiết của bản thân các hệ thống
điện và điện tử.
Hình 2. SPM sử dụng màn chắn không gian
của LPZ 1 và bảo vệ SPD ở lối vào của LPZ
1 – Thiết bị được bảo vệ chống các đột biến
dẫn ( U1< U0 và I1< I0) và chống trường từ
bức xạ ( H1< H0 )
2.2. Hệ thống bảo vệ chống xung sét điện
từ
Các thiết bị điện và điện tử dễ bị hư hại
bởi xung sét điện từ (LEMP). Vì vậy, cần
phải sử dụng SPM để tránh các hư hại cho
các hệ thống bên trong.
Hình 3. SPM sử dụng màn chắn đường
dây bên trong và bảo vệ SPD ở lối vào của
LPZ 1 – Thiết bị được bảo vệ chống các
đột biến dẫn ( U2< U0 và I2< I0) và chống
các trường từ bức xạ ( H2< H0 )
Thực hiện mô phỏng với xung dòng
8/20µs biên độ 3kA và 20kA thu được kết
quả như Hình 7
Hình 4. SPM chỉ sử dụng hệ thống SPD phối
hợp – Thiết bị được bảo vệ chống các đột
biến dẫn ( U2<< U0 và I1<< I0) nhưng
không chống trường từ bức xạ H0
Hình 7. Dạng xung dòng 3kA 8/20µs và
20kA 8/20µs
4. MÔ HÌNH KHE PHÓNG ĐIỆN
(SPARK GAP)
3. MÔ HÌNH MÁY PHÁT XUNG
Sơ đồ mô phỏng Spark Gap với nguồn xung
dòng như Hình 8
Dạng xung sét 8/20µs thường là xung sét
cảm ứng do sét đánh vào đường dây trên
không cách vị trí công trình một khoảng cách
xa hoặc do sét đánh vào một vật gần đường
dây trên không hoặc do sự gia tăng điện thế
đất do sét đánh vào vị trí gần công trình. Dạng
xung 8/20 µs được trình bày trong Hình 5.
Hình 8. Sơ đồ mạch mô phỏng SG với xung
dòng 4kA 8/20µs
Thực hiện mô phỏng cho Spark Gap
FLASHTRAB FLT-PLUS của hãng Phoenix
Contact loại có điện áp đánh thủng là 3000V
ứng với nguồn xung dòng 4kA 8/20µs (Hình
9)
Hình 5. Dạng xung dòng tiêu chuẩn 8/20 µs
Hình 9. Xung dòng 4kA 8/20µs
Hình 6. Sơ đồ khối máy phát xung dòng tiêu
chuẩn
Kết quả đáp ứng điện áp dư của Spark
Gap là 4326V (Hình 10)
Hình 12. Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của MOV
ứng với dòng xung tiêu chuẩn
Hình 10. Điện áp dư ứng với xung dòng 4kA
8/20us
FLASHTRAB
Điện áp dư trên SG
FLT-PLUS
4 kA 8/20us
Hình 13. Điện áp dư của MOV 275LA40A
ứng với xung dòng 3kA và 5kA 8/20µs.
Vrcat
Vrsim
4500
4326
3.86
Điện áp dư
trên MOV
V275LA40A
5kA
Sai số (%) V
3kA
1040
993,8
4,1
Bảng 1. So sánh giá trị điện áp dư của
FLASHTRAB FLT-PLUS trong Catalogue và
Vrcat
Vrsim
1150
1105
3,9
mô phỏng
.
Nhận xét: Sai số giá trị điện áp dư của
SG theo mô phỏng so với giá trị điện áp dư
cung sấp bởi nhà sản xuất là nhỏ hơn 5% phù
hợp với yêu cầu theo tiêu chuẩn IEC.
Vr(%)
Bảng 2. Kết quả so sánh giá trị điện áp dư
của MOV 275LA40A thông qua mô phỏng và
qua catalogue của hãng Littelfuse
5. MÔ HÌNH MOV
6. PHỐI HỢP CÁC SPD
1.Kiểu phối hợp I
Hình 11. Mạch tương đương mô hình MOV
Hình 14. Kiểu phối hợp I
Nhận xét:
- Kết quả mô phỏng điện áp dư với các kiểu
phối hợp 1MOV, 2MOV và 3MOV, nhận
thấy càng nhiều tầng SPD phối hợp thì điện
áp dư càng nhỏ.
- Biên độ dòng xung dạng sóng 8/20µs càng
lớn thì điện áp dư càng cao.
- Ở vùng ngoại thành ( Cấp D), mức độ lộ
thiên cao, vì vậy có khả năng xuất hiện xung
sét biên độ lớn. Trường hợp này, nên phối
hợp 2MOV hoặc 3MOV
Hình 11. Sơ đồ mô phỏng phối hợp SPD
theo phương pháp biến đổi I
- Ở vùng nội thành, khu đông dân cư (Cấp
C) mức độ lộ thiên thấp có thể sử dụng 1
hoặc 2 SPD phối hợp tùy vào yêu cầu kỹ
thuật và mức độ quan trọng của công trình.
2. Kiểu phối hợp II
Hình 12. Điện áp dư ứng với phối hợp kiểu
biến đổi I 1MOV, 2MOV, 3MOV với xung
dòng 3kA 8/20µs.
Hình 18. Kiểu phối hợp II
Hình 13. Điện áp dư ứng với phối hợp kiểu
biến đổi I1MOV, 2MOV, 3MOV với xung
dòng 20kA 8/20µs.
Hình 19. Sơ đồ mô phỏng phối hợp SPD
theo phương pháp biến đổi II
Kiểu phối hợp I Điện áp dư ứng với
xung dòng 8/20µs
3 kA
720.5
769.6
916.6
20 kA
776.0
888.7
1390.0
Phối hợp 3 SPD
Phối hợp 2 SPD
Phối hợp 1 SPD
Hình 20. Điện áp dư ứng với phối hợp kiểu
biến đổi II 1MOV, 2MOV, 3MOV với xung
dòng 3kA 8/20µs.
Bảng 3. So sánh giá trị điện áp dư khi phối
hợp SPD theo biến đổi I
Hình 21. Điện áp dư ứng với phối hợp kiểu
biến đổi II 1MOV, 2MOV, 3MOV với xung
dòng 20kA 8/20µs.
Hình 24. Sơ đồ mô phỏng phối hợp SPD
theo phương pháp biến đổi III
Kiểu phối hợp II Điện áp dư ứng với
xung dòng 8/20µs
3 kA
743.9
744.8
760.0
20 kA
1008.0
1026.0
1131.0
Phối hợp 3 SPD
Phối hợp 2 SPD
Phối hợp 1 SPD
Hình 25. Điện áp dư ứng với phối hợp kiểu
biến đổi III SG, MOV2, MOV3 với xung
dòng 3kA 8/20µs
.
Bảng 4. So sánh giá trị điện áp dư khi phối
hợp SPD theo biến đổi II
Nhận xét:
- Kết quả mô phỏng với kiểu phối hợp II với
1MOV, 2MOV và 3MOV cho thấy điện áp
dư không giảm nhiều (khoảng 2,1% đối với
dòng xung 3kA 8/20us và khoảng 10,8% đối
với dòng xung 20kA 8/20us).
- Kiểu phối hợp II không mang lại hiệu quả
bảo vệ cao như kiểu phối hợp I do không có
tổng trở phân cách giữa các tầng bảo vệ.
Hình 26. Điện áp dư ứng với phối hợp kiểu
biến đổi III SG, MOV2, MOV3 với xung
dòng 20kA 8/20µs.
3. Kiểu phối hợp III
Điện áp dư ứng với
xung dòng 8/20µs
Kiểu phối hợp
III
3 kA
3 kA
647.0
752.6
20 kA
20 kA
649.5
928.4
Phối hợp 3 SPD
Phối hợp 2 SPD
Phối hợp 1 SPD
Bảng 5. So sánh giá trị điện áp dư khi phối
Hình 23. Kiểu phối hợp III
hợp SPD theo biến đổi III
Nhận xét:
Bảng 6. Kết quả so sánh điện áp dư của SPD
theo biến đổi I, II và III khi có đủ 3 tầng bảo
vệ
- Kết quả mô phỏng với kiểu phối hợp III
với SG, MOV2 và MOV3 cho thấy điện áp
dư tăng khi biên độ xung sét tăng;
Nhận xét
- Khi chỉ có một tầng bảo vệ (SG), điện áp
dư rất cao. Vì vậy, trường hợp này chỉ có thể
bảo vệ thiết bị điện cơ;
- Kiểu phối hợp III có hiệu quả bảo vệ cao
nhất, khi có đủ 3 tầng bảo vệ;
- Kiểu phối hợp II có hiệu quả bảo vệ thấp
nhất;
- Càng phối hợp nhiều tầng bảo vệ, hiệu quả
bảo vệ càng cao (diện áp dư càng thấp.
- Kiểu phối hợp I có hiệu quả bảo vệ trung
bình.
- Mặc dù đã có 3 tầng bảo vệ (SG, MOV2,
MOV3), tuy nhiên giá trị điện áp dư vẫn gần
650V. Vì vậy, để bảo vệ thiết bị điện tử nhạy
cảm cần sử dụng thiết bị lọc sét chứ không
thể chỉ tăng số tầng bảo vệ.
7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN
CỨU PHÁT TRIỂN
- Ket quả nghiên cứu của luạn văn có the sử
dụng làm tài liẹu tham khảo cho NCS, các
học viên cao học Ngành Kỹ thuạt điẹn khi
nghiên cứu các giải pháp chong xung sét điẹn
từ cho các thiet bị điẹn-điẹn tử bên trong tòa
nhà.
4. So sánh hiệu quả bảo vệ của các kiểu
phối hợp bảo vệ I, II và III
Điện áp dư ứng
với xung 8/20µs
(V crest)
Phương pháp biến
đổi
- Xây dựng mô hình SG có xét đến hiện
tượng phóng điện hồ quang giữa các điện
cực.
I
II
III
3kA
720.5 743.9 647.0
776.0 1008.0 649.5
- Nghiên cứu ảnh hưởng của dây nối SPD
đến hiệu quả bảo vệ, nghiên cứu kieu phoi
hợp SPD có xét đen bọ lọc LC.
20kA
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low–Voltage AC Power Circuits,
ANSI/IEEE Std. C62.41–1991.
2. IEEE W.G 3.4.11 Modeling of metal oxide surge arrester – IEEE 1992.
3. P. Pinceti, M. Giannettoni, A simplified model for zinc oxid surge arrester, IEEE – 1999.
4. IEC 62305-4:2005, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 4: Electrical and electronic
systems within structures.
5. Performance of Surge Arresters in a Low Voltage Distribution System, Chryssa
Nasiopoulou, Eleftheria Pyrgioti, International Conference on Lightning Protection (ICLPj,
Vienna, Austria 2012.
6. Modelling of metal oxide surge arresters as elements of overvoltage protection Systems,
Saad Dau, International Conference on Lightning Protection (ICLPj, Vienna, Austria 2012.
7. Simulation of Impulse Voltage Generator and Impulse Testing of Insulator using MATLAB
Simulink; Ramleth Sheeba, Madhavan Jayaraju, Thangal Kunju Nediyazhikam Shanavas;
World Journal of Modelling and Simulation, Vol. 8 (2012) No. 4, pp. 302-309.
8. Nonlinear Load and RLC Pulse Shaping Surge Generator Models in Simulation
Environment, Mahesh Edirisinghe, International Letters of Chemistry, Physics and
Astronomy, SciPress Ltd., Switzerland, 2014.
9. How to select the best value surge & transeint protection for your mains equiment, Warwich
Beech – Erico Lighting Technologies Ltd, 2014.
10. Metal Oxide Surge Arresters Modelling in Temporary Overvoltage Conditions, Wichet
Thipprasert and Ekkachai Chaidee, International Journal of Electronics and Electrical
Engineering Vol. 4, No. 2, April 2016.
11. Evaluation of metal oxide surge arrester models based on laboratory experiments, G. A.
Alonso-Cardenas-Alba, Proceedings of Academicsera International Conference, Toronto,
Canada, 26th-27th November 2016.
12. Bảo vệ chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn và tín hiệu, Quyền Huy Ánh, Tạp chí
Phát triển Khoa Học & Công nghệ, Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, 4+5/1999.
13. Khe hở phóng điện tự kích TSG, Quyền Huy Ánh, Tạp chí Bưu Chính Viễn Thông, Tổng
cục Bưu Điện, 11/2001.
14. Mô hình thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp, Quyền Huy Ánh và các tác
giả khác, Tạp chí Khoa Học & Công nghệ, trường ĐH Kỹ Thuật, 42+43/2003.
15. Nghiên cứu mô hình chống sét van dạng oxít kim loại, Quyền Huy Ánh và các tác giả khác,
Tạp chí Khoa Học & Công nghệ, Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh 9/2005
16. Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ máy biến áp của thiết bị chống sét van có xét đến các yếu tố ảnh
hưởng, Quyền Huy Ánh và các tác giả khác, Tạp chí Phát Triển Khoa Học & Công Nghệ,
Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh 8/2009.
17. Các mô hình máy phát xung sét cải tiến, Quyền Huy Ánh và các tác giả khác, Tạp chí Giáo
dục Kỹ thuật, ISSN 1859-1272, ĐHSPKT Tp HCM, 14/2010.
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Võ Thiện Hoàng
Đơn vị: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
Điện thoại:
Email:
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bảnquyềntác phẩm đã được bảo hộ bởiLuậtxuất bảnvà LuậtSở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm
cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
9 trang
09/01/2024
25980
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu giải pháp chống sét cho thiết bị điện tử theo tiêu chuẩn TCVN 9888-2013", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_giai_phap_chong_set_cho_thiet_bi_dien_tu_theo_tie.pdf
