Luận văn Nghiên cứu phân bố dòng sét và điện áp trên các SPD khi sét đánh vào tòa nhà (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu phân bố dòng sét và điện áp trên các SPD khi sét đánh vào tòa nhà (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NHƯ QUỲNH NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ DÒNG SÉT VÀ ĐIỆN ÁP TRÊN CÁC SPD KHI SÉT ĐÁNH VÀO TÒA NHÀ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 5 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NHƢ QUỲNH NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ DÕNG SÉT VÀ ĐIỆN ÁP TRÊN CÁC SPD KHI SÉT ĐÁNH VÀO TÕA NHÀ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
3. LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN NHƢ QUỲNH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/04/1984 Nơi sinh: Long An Quê quán: Ấp 2, Long Thuận, Thủ Thừa, Long An Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 195/19 Xô viết Nghệ Tĩnh, P.17, Q. Bình Thạnh, TP.HCM Điện thoại cơ quan: 08.39307919 Điện thoại nhà riêng: 0978 636 412 Fax: E-mail: nhutquynh2013@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ : tháng 9/2002 đến tháng 9/2004 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Cao đẳng Công nghiệp 4 Ngành học: Điện công nghiệp 2. Cao Đẳng chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ : tháng 4/2005 đến tháng 10/2006 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Điện công nghiệp 3. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ : tháng 4/2007 đến tháng 10/2008 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật điện Tên đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng Labview trong điều khiển máy điện không đồng bộ 3 pha Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Ngƣời hƣớng dẫn: Ths. Châu Văn Bảo III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 03/2009 Chi cục Tiêu chuẩn Đo lƣờng Nhân viên tƣ vấn đến 10/2010 Chất lƣợng TP.HCM Từ 11/2010 Trƣờng Cao đẳng Nghề Cơ giới Giáo viên Điện-Điện tử đến 02/2012 và Thủy lợi 03/2012 đến Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Thử nghiệm viên nay Đo lƣờng Chất lƣợng TP.HCM Trang i
4. LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Nhƣ Quỳnh Trang ii
5. LUẬN VĂN THẠC SĨ CẢM TẠ Lời đầu tiên tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu nhà trƣờng, Quý Thầy Cô Khoa Điện - Điện tử trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, gia đình, công ty và bạn bè đã quan tâm, giúp đỡ để đề tài của tôi đƣợc hoàn thành đúng yêu cầu. Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. Quyền Huy Ánh, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, đã góp rất nhiều ý kiến quý báo và dành nhiều thời gian để hƣớng dẫn, chỉnh sửa, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp đúng thời hạn. Cùng sự hƣớng dẫn của thầy Quyền Huy Ánh, Ban Giám đốc cùng các anh chị trong cơ quan nơi tôi đang công tác, tôi cũng nhận đƣợc nhiều sự quan tâm và giúp đỡ từ bạn bè đã tạo thêm nghị lực giúp tôi vƣợt qua nhiều khó khăn để hoàn thành quá trình thực tập. Xin gửi đến ba mẹ lời cảm ơn sâu sắc đã cho con có đƣợc ngày hôm nay. Vì thời gian giới hạn nên chắc chắn đề tài còn những điểm thiếu sót. Tôi sẽ rất trân trọng và cảm ơn những ý kiến đóng góp của quý thầy cô để đề tài của tôi đƣợc hoàn thiện hơn. Học viên Nguyễn Nhƣ Quỳnh Trang iii
6. LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT Sét là hiện tƣợng tự nhiên thƣờng xuyên xảy ra trong năm, thiệt hại do sét đánh là rất lớn là nguyên nhân hƣ hỏng các thiết bị điện tử và nguy hiểm đến tính mạng con ngƣời . Để hạn chế thiệt hại do sét gây ra trong các toà nhà, cần thiết phải sử dụng các thiết bị chống sét SPD (surge protective device). Tuy nhiên, để lựa chọn cũng nhƣ phát huy một cách có hiệu quả các thiết bị chống sét nguồn điện, cần thiết phải xác định hình dạng và giá trị biên độ dòng điện sét đi qua các SPD trong mạch điện tại các toà nhà. Đa phần các tòa nhà có hệ thống đất chống sét trực tiếp đƣợc nối đẳng thế với hệ thống trung tính nguồn cung cấp. Vì vậy, mỗi khi sét đánh trực tiếp vào hệ thống chống sét của toà nhà, một phần của dòng điện sét sẽ theo các dây dẫn chạy vào mạng điện toà nhà làm hƣ hỏng các thiết bị. Xuất phát từ yêu cầu thực tế, luận văn “Nghiên cứu phân bố dòng sét và điện áp trên các SPD khi sét đánh vào tòa nhà”,bằng Matlab mô phỏng để xác định hình dáng và giá trị biên độ của xung dòng điện sét đi vào mạng điện toà nhà tại các vị trí khác nhau với các cấu hình khác nhau tƣơng ứng khi thay đổi giá trị điện trở tiếp đất của hệ thống nối đất khi sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên toà nhà. Kết quả nghiên cứu giúp cho việc tính toán tìm ra giải pháp thích hợp và lựa chọn cấu hình bảo vệ tốt nhất trên đƣờng cấp nguồn hạ thế cho tòa nhà khi sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên toà nhà. Trang iv
7. LUẬN VĂN THẠC SĨ ABSTRACT Lightning is one of those natural phenomenons with its obvious violence and the destructive power attributed to it. A direct lightning strike to a building may cause damage or interference in the operation of electronic equipment inside the structure and may even be dangerous to the people in the more critical case. In order to decide on an efficient surge protective device (SPD). However, for good selection and effective exploitation of surge protection devices, shape and amplitude of lightning surges that get through the SPD arranged on building circuits are required knowledge of the current distribution. Currently, in order to have equipotential conditions for the buildings, grounding system of direct lightning protection devices is often connected to the grounding network of power supply system. For this reason, when there is a lightning stroke that strikes directly on building’s lightning protection system, a portion of lightning current will spread out in the building electrical network through cables. The current in this case will be a major cause which damages home appliances. According to practical requirements, a thesis of “Research on lightning current distributions and voltage when direct strike in building”, using modeling and simulation with Matlab, determining some essential current parameters in the building power network when strike points are assumed in different places on the building's roof with different configurations and values of grounding resistors of lightning protection system and power supply one as well under direct stroke on the building. The research results enable to calculate, compare and pick out the best protection configuration in low voltage network of the building that is under direct lightning stroke. Trang v
8. LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC KÝ HIỆU x DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xv CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1 2. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 2 3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 3 4. CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH 3 5. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 3 6. TÍNH THỰC TIỄN 3 7. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 4 Chƣơng 1 5 TỔNG QUAN VỀ SÉT 5 1.1. Sự hình thành của sét 5 1.2. Các thông số của dòng điện sét 8 1.2.1. Biên độ của dòng điện sét 8 1.2.2. Thời gian đầu sóng tđ, thời gian giữa sóng tz và thời gian toàn sóng t của dòng điện sét 8 1.2.3. Độ dốc đầu sóng của dòng điện sét 8 Chƣơng 2 9 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CHỐNG SÉT VAN MOV 9 2.1. Cấu tạo 9 Trang vi
9. LUẬN VĂN THẠC SĨ 2.2. Tính năng hoạt động của biến trở ZnO 12 2.3. Đặc tính V-I 15 2.4. Thời gian đáp ứng 16 2.5. Năng lƣợng cho phép và công suất tiêu tán trung bình 17 2.5.1. Năng lƣợng cho phép 17 2.5.2. Công suất tiêu tán trung bình 18 Chƣơng 3 19 MÔ HÌNH MOV HẠ THẾ VÀ MÔ HÌNH NGUỒN PHÁT XUNG 19 3.1. Mô hình MOV hạ thế 19 3.1.1. Cấu trúc cơ bản của mô hình MOV hạ thế 19 3.1.2. Mô hình MOV hạ thế trong MATLAB 21 3.2. Mô hình nguồn phát xung 24 3.3. Mô phỏng MOV 26 Chƣơng 4 28 CÁC CẤU HÌNH THỬ NGHIỆM 28 4.1. Tóm tắt 28 4.2. Các cấu hình tiêu biểu 29 4.2.1. Cấu hình 1 29 4.2.2. Cấu hình 2 32 4.2.3. Cấu hình 3 33 4.2.4. Cấu hình 4 36 4.2.5. Cấu hình 5 37 4.2.6. Cấu hình 6 40 Chƣơng 5 42 LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 42 5.1. Trƣờng hợp 1 42 Hệ thống nối đất của hai tòa nhà đều có giá trị điện trở là 10Ω và nguồn xung biên độ100kA, dạng sóng 10/350µs. 42 5.1.1. Cấu hình 1 (một tòa nhà), kiểu bảo vệ L-E; N-E 42 5.1.2. Cấu hình 2 (một tòa nhà), kiểu bảo vệ L-N;N-E 45 5.1.3. Cấu hình 3 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ hai), kiểu bảo vệ L-E; N-E 48 Trang vii
10. LUẬN VĂN THẠC SĨ 5.1.4. Cấu hình 4 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ nhất), kiểu bảo vệ L-E; N-E 52 5.1.5. Cấu hình 5 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ hai), kiểu bảo vệ L-N; N-E 56 5.1.6. Cấu hình 6 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ nhất), kiểu bảo vệ L-N; N-E 60 5.2. Trƣờng hợp 2 64 Hệ thống nối đất của hai tòa nhà đều có giá trị điện trở là 5Ω và nguồn xung có biên độ 100kA, dạng sóng 10/350µs. 64 5.2.1. Cấu hình 1 (một tòa nhà), kiểu bảo vệ L-E; N-E 64 5.2.2. Cấu hình 2 (một tòa nhà), kiểu bảo vệ L-N; N-E 67 5.2.3. Cấu hình 3 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ hai), kiểu bảo vệ L-E; N-E 70 5.2.4. Cấu hình 4 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ nhất), kiểu bảo vệ L-E; N-E 74 5.2.5. Cấu hình 5 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ hai), kiểu bảo vệ L-N; N-E 78 5.2.6. Cấu hình 6 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ nhất), kiểu bảo vệ L-N; N-E 82 5.3. Trƣờng hợp 3 86 Hệ thống nối đất của hai tòa nhà đều có giá trị điện trở là 10Ω. Tuy nhiên, điểm khác so với (trƣờng hợp 1) là nguồn xung có biên độ100kA, dạng sóng 8/20µs. 86 5.3.1. Cấu hình 1 (một tòa nhà), kiểu bảo vệ L-E; N-E 86 5.3.2. Cấu hình 2 (một tòa nhà), kiểu bảo vệ L-N; N-E 87 5.3.3. Cấu hình 3 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ hai), kiểu bảo vệ L-E; N-E 88 5.3.4. Cấu hình 4 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ nhất), kiểu bảo vệ L-E; N-E 89 5.3.5. Cấu hình 5 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ hai), kiểu bảo vệ L-N; N-E 90 5.3.6. Cấu hình 6 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ nhất), kiểu bảo vệ L-N; N-E 92 5.4. Trƣờng hợp 4 93 Hệ thống nối đất của hai tòa nhà đều có giá trị điện trở là 5Ω. Tuy nhiên, điểm khác so với (trƣờng hợp 2) là nguồn xung có biên độ100kA, dạng sóng 8/20µs. 93 5.4.1. Cấu hình 1 (một tòa nhà), kiểu bảo vệ L-E; N-E 93 Trang viii
11. LUẬN VĂN THẠC SĨ 5.4.2. Cấu hình 2 (một tòa nhà), kiểu bảo vệ L-N; N-E 94 5.4.3. Cấu hình 3 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ hai), kiểu bảo vệ L-E; N-E 95 5.4.4. Cấu hình 4 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ nhất), kiểu bảo vệ L-E; N-E 97 5.4.5. Cấu hình 5 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ hai), kiểu bảo vệ L-N; N-E 98 5.4.6. Cấu hình 6 (gồm hai tòa nhà, xung sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc của tòa nhà thứ nhất), kiểu bảo vệ L-N; N-E 100 BẢNG THỐNG KÊ TỪ CẤU HÌNH 1 ĐẾN CẤU HÌNH 6 102 5.5. Nhận xét chung 105 Chƣơng 6 106 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 106 6.1. Kết Luận 106 6.2. Hƣớng nghiên cứu phát triển 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 Trang ix
12. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Mô tả SPD Thiết bị chống sét (Surge Protective Device) MOV kA Chống sét van (Metal Oxide Varistor) Imax kA Biên độ của dòng điện sét tđ μs Thời gian đầu sóng tz μs Thời gian giữa sóng D nm Bề dày của biến trở Vb V Điện thế rào  Hằng số điện môi của chất bán dẫn N Hạt/cm3 Mật độ hạt dẫn P W Công suất tiêu tán trung bình T 0C Nhiệt độ gia tăng trung bình  Hệ số tiêu tán công suất TOL % Độ sai số chuẩn Vc V Điện áp làm việc xoay chiều cực đại R  Điện trở L H Độ tự cảm C F Điện dung Trang x
13. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1. Các giai đoạn phóng điện sét Trang 7 Hình 1.2. Đƣờng cong của dòng điện sét Trang 8 Hình 2.1 Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I Trang 9 Hình 2.2. Vi cấu trúc của MOV Trang 10 Hình 2.3. Vi cấu trúc của MOV Trang 11 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO Trang 12 Hình 2.5. Lƣu đồ chế tạo biến trở ZnO Trang 13 Hình 2.6. Sơ đồ năng lƣợng tiếp giáp ZnO-biên-ZnO Trang 14 Hình 2.7. Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào Trang 15 Hình 2.8. Đặc tính V-I của MOV Trang 16 Hình 2.9. Đáp ứng của biến trở ZnO ứng với xung tốc độ cao Trang 16 Hình 2.10. Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng Trang 17 Hình 2.11. Số lần xung có thể chịu đƣợc của MOV Trang 18 Hình 3.1. Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của mô hình MOV đề nghị Trang 19 Hình 3.2. Đặc tính V-I của MOV có sai số TOL 10% Trang 20 Hình 3.3. Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến V=f(I) của MOV Trang 20 Hình 3.4. Mô hình MOV hạ thế trong môi trƣờng Matlab Trang 21 Hình 3.5. Biểu tƣợng mô hình MOV hạ thế Trang 22 Hình 3.6. Hộp thoại khai báo thông số của MOV hạ thế Trang 22 Hình 3.7. Hộp thoại Initialization của mô hình MOV hạ thế Trang 23 Hình 3.8. Hộp thoại nhập thông số của mô hình MOV hạ thế Trang 24 Hình 3.9. Sơ đồ khối tạo nguồn phát xung Trang 25 Hình 3.10. Biểu tƣợng của mô hình nguồn phát xung Trang 25 Hình 3.11. Hộp thoại khai báo các thông số Trang 25 Hình 3.12. Sơ đồ mô phỏng MOV Trang 26 Hình 3.13. Thông số nguồn xung dòng 100kA, dạng sóng 8/20µs Trang 26 Trang xi
14. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.14. Dạng sóng nguồn xung dòng 100kA, 8/20µs Trang 26 Hình 3.15. Thông số nguồn xung dòng 100kA, dạng sóng 10/350µs Trang 27 Hình 3.16. Dạng sóng nguồn xung dòng 100kA, 8/20µs Trang 27 Hình 4.1. Mô hình thứ nhất Trang 28 Hình 4.2. Mô hình thứ hai Trang 29 Hình 4.3. Mô hìnhmạch điện cấu hình 1 Trang 30 Hình 4.4. Mô hình mạch củacấu hình 2 Trang 32 Hình 4.5. Mô hình mạch của cấu hình 3 Trang 33 Hình 4.6. Mô hình mạch của cấu hình 4 Trang 36 Hình 4.7. Mô hình mạch của cấu hình 5 Trang 37 Hình 4.8. Mô hình mạch của cấu hình 6 Trang 40 Trƣờng hợp 1 Hình 5.1. Mô hình mạch của cấu hình 1 Trang 42 Hình 5.2. Đặc tuyến của dòng điện I1, I2, I3 theo thời gian Trang 43 Hình 5.3. Đặc tuyến dòng điện I4, I5 theo thời gian Trang 43 Hình 5.4. Đặc tuyến điện áp V1, V2 theo thời gian Trang 43 Hình 5.5. Mô hình mạch của cấu hình 2 Trang 45 Hình 5.6. Đặc tuyến dòng điện I1, I2, I3 theo thời gian Trang 45 Hình 5.7. Đặc tuyến dòng điện I4, I5 theo thời gian Trang 46 Hình 5.8. Đặc tuyến điện áp V1, V2 theo thời gian Trang 46 Hình 5.9.Mô hình mạch của cấu hình 3 Trang 48 Hình 5.10. Đặc tuyến dòng điện I1, I2, I3 theo thời gian Trang 48 Hình 5.11. Đặc tuyến dòng điện I4, I5 theo thời gian Trang 49 Hình 5.12. Đặc tuyến dòng điện I6, I7 theo thời gian Trang 49 Hình 5.13. Đặc tuyến dòng điện I8, I9 theo thời gian Trang 49 Hình 5.14. Đặc tuyến dòng điện V1, V2 theo thời gian Trang 50 Hình 5.15. Đặc tuyến dòng điện V3, V4 theo thời gian Trang 50 Hình 5.16.Mô hình mạch của cấu hình 4 Trang 52 Trang xii
15. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 5.17. Đặc tuyến dòng điện I1, I2, I3 theo thời gian Trang 52 Hình 5.18. Đặc tuyến dòng điện I4, I5 theo thời gian Trang 53 Hình 5.19. Đặc tuyến dòng điện I6, I7 theo thời gian Trang 53 Hình 5.20. Đặc tuyến dòng điện I8, I9 theo thời gian Trang 53 Hình 5.21. Đặc tuyến dòng điện V1, V2 theo thời gian Trang 54 Hình 5.22. Đặc tuyến dòng điện V3, V4 theo thời gian Trang 54 Hình 5.23.Mô hình mạch của cấu hình 5 Trang 56 Hình 5.24. Đặc tuyến dòng điện I1, I2, I3 theo thời gian Trang 56 Hình 5.25. Đặc tuyến dòng điện I4, I5 theo thời gian Trang 57 Hình 5.26. Đặc tuyến dòng điện I6, I7 theo thời gian Trang 57 Hình 5.27. Đặc tuyến dòng điện I8, I9 theo thời gian Trang 57 Hình 5.28. Đặc tuyến dòng điện V1, V2 theo thời gian Trang 58 Hình 5.29. Đặc tuyến dòng điện V3, V4 theo thời gian Trang 58 Hình 5.30. Mô hình mạch cấu hình 6 Trang 60 Hình 5.31. Đặc tuyến dòng điện I1, I2, I3 theo thời gian Trang 60 Hình 5.32. Đặc tuyến dòng điện I4, I5 theo thời gian Trang 61 Hình 5.33. Đặc tuyến dòng điện I6, I7 theo thời gian Trang 61 Hình 5.34. Đặc tuyến dòng điện I8, I9 theo thời gian Trang 61 Hình 5.35. Đặc tuyến dòng điện V1, V2 theo thời gian Trang 62 Hình 5.36. Đặc tuyến dòng điện V3, V4 theo thời gian Trang 62 Trƣờng hợp 2 Hình 5.37. Mô hình mạch của cấu hình 1 Trang 64 Hình 5.38. Đặc tuyến của dòng điện I’1, I’2, I’3 theo thời gian Trang 65 Hình 5.39. Đặc tuyến dòng điện I’4, I’5 theo thời gian Trang 65 Hình 5.40. Đặc tuyến điện áp V’1, V’2 theo thời gian Trang 65 Hình 5.41. Mô hình mạch của cấu hình 2 Trang 67 Hình 5.42. Đặc tuyến dòng điện I’1, I’2, I’3 theo thời gian Trang 67 Hình 5.43. Đặc tuyến dòng điện I’4, I’5 theo thời gian Trang 68 Hình 5.44. Đặc tuyến điện áp V’1, V’2 theo thời gian Trang 68 Trang xiii
16. LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 5.45. Mô hình mạch của cấu hình 3 Trang 70 Hình 5.46. Đặc tuyến dòng điện I’1, I’2, I’3 theo thời gian Trang 70 Hình 5.47. Đặc tuyến dòng điện I’4, I’5 theo thời gian Trang 71 Hình 5.48. Đặc tuyến dòng điện I’6, I’7 theo thời gian Trang 71 Hình 5.49. Đặc tuyến dòng điện I’8, I’9 theo thời gian Trang 71 Hình 5.50. Đặc tuyến dòng điện V’1, V’2 theo thời gian Trang 72 Hình 5.51. Đặc tuyến dòng điện V’3, V’4 theo thời gian Trang 72 Hình 5.52. Mô hình mạch của cấu hình 4 Trang 74 Hình 5.53. Đặc tuyến dòng điện I’1, I’2, I’3 theo thời gian Trang 74 Hình 5.54. Đặc tuyến dòng điện I’4, I’5 theo thời gian Trang 75 Hình 5.55. Đặc tuyến dòng điện I’6, I’7 theo thời gian Trang 75 Hình 5.56. Đặc tuyến dòng điện I’8, I’9 theo thời gian Trang 75 Hình 5.57. Đặc tuyến điện áp V’1, V’2 theo thời gian Trang 76 Hình 5.58. Đặc tuyến điện áp V’3, V’4 theo thời gian Trang 76 Hình 5.59. Mô hình mạch của cấu hình 5 Trang 78 Hình 5.60. Đặc tuyến dòng điện I’1, I’2, I’3 theo thời gian Trang 78 Hình 5.61. Đặc tuyến dòng điện I’4, I’5 theo thời gian Trang 79 Hình 5.62. Đặc tuyến dòng điện I’6, I’7 theo thời gian Trang 79 Hình 5.63. Đặc tuyến dòng điện I’8, I’9 theo thời gian Trang 79 Hình 5.64. Đặc tuyến dòng điện V’1, V’2 theo thời gian Trang 80 Hình 5.65. Đặc tuyến dòng điện V’3, V’4 theo thời gian Trang 80 Hình 5.66. Mô hình mạch của cấu hình 6 Trang 82 Hình 5.67. Đặc tuyến dòng điện I’1, I’2, I’3 theo thời gian Trang 82 Hình 5.68. Đặc tuyến dòng điện I’4, I’5 theo thời gian Trang 83 Hình 5.69. Đặc tuyến dòng điện I’6, I’7 theo thời gian Trang 83 Hình 5.70. Đặc tuyến dòng điện I’8, I’9 theo thời gian Trang 84 Hình 5.71. Đặc tuyến điện áp V’1, V’2 theo thời gian Trang 84 Hình 5.72. Đặc tuyến điện áp V’3, V’4 theo thời gian Trang 84 Trang xiv
17. LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1. Kích thƣớc biến trở Trang 13 Bảng 2.2. Đƣờng kính đĩa danh định Trang 13 Trƣờng hợp 1 Bảng 5.1. Kết quả mô phỏng của cấu hình 1 Trang 44 Bảng 5.2. Kết quả mô phỏng của cấu hình 2 Trang 47 Bảng 5.3. Kết quả mô phỏng của cấu hình 3 Trang 51 Bảng 5.4. Kết quả mô phỏng của cấu hình 4 Trang 55 Bảng 5.5. Kết quả mô phỏng của cấu hình 5 Trang 59 Bảng 5.6. Kết quả mô phỏng của cấu hình 6 Trang 63 Trƣờng hợp 2 Bảng 5.7. Kết quả mô phỏng của cấu hình 1 Trang 66 Bảng 5.8. Kết quả mô phỏng của cấu hình 2 Trang 69 Bảng 5.9. Kết quả mô phỏng của cấu hình 3 Trang 73 Bảng 5.10. Kết quả mô phỏng của cấu hình 4 Trang 77 Bảng 5.11. Kết quả mô phỏng của cấu hình 5 Trang 81 Bảng 5.12. Kết quả mô phỏng của cấu hình 6 Trang 85 Trƣờng hợp 3 Bảng 5.13. Kết quả mô phỏng của cấu hình 1 Trang 86 Bảng 5.14. Kết quả mô phỏng của cấu hình 2 Trang 87 Bảng 5.15. Kết quả mô phỏng của cấu hình 3 Trang 88 Bảng 5.16. Kết quả mô phỏng của cấu hình 4 Trang 89 Bảng 5.17. Kết quả mô phỏng của cấu hình 5 Trang 90 Bảng 5.18. Kết quả mô phỏng của cấu hình 6 Trang 92 Trƣờng hợp 4 Bảng 5.19. Kết quả mô phỏng của cấu hình 1 Trang 93 Bảng 5.20. Kết quả mô phỏng của cấu hình 2 Trang 94 Bảng 5.21. Kết quả mô phỏng của cấu hình 3 Trang 95 Bảng 5.22. Kết quả mô phỏng của cấu hình 4 Trang 96 Trang xv
18. LUẬN VĂN THẠC SĨ Bảng 5.23. Kết quả mô phỏng của cấu hình 5 Trang 98 Bảng 5.24. Kết quả mô phỏng của cấu hình 6 Trang 99 Bảng 5.25. Bảng thống kê cấu hình 1 (kiểu bảo vệ L-E; N-E) Trang 101 Bảng 5.26. Bảng thống kê cấu hình 2 (kiểu bảo vệ L-N; N-E) Trang 101 Bảng 5.27. Bảng thống kê cấu hình 3 (kiểu bảo vệ L-E; N-E) Trang 102 Bảng 5.28. Bảng thống kê cấu hình 4 (kiểu bảo vệ L-E; N-E) Trang 102 Bảng 5.29. Bảng thống kê cấu hình 5 (kiểu bảo vệ L-N; N-E) Trang 103 Bảng 5.30. Bảng thống kê cấu hình 6 (kiểu bảo vệ L-N; N-E) Trang 103 Trang xvi
19. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Sét là một hiện tƣợng trong tự nhiên mà khi xuất hiện nó có thể gây ra những thiệt hại lớn về kinh tế cho các công trình xây dựng, nhà máy, cũng nhƣ hiểm họa khôn lƣờng cho con ngƣời. Nƣớc ta nằm trong tâm dông của châu Á nên có cƣờng độ dông sét mạnh. Theo khảo sát của Viện Vâṭ lý Địa cầu trung bình hàng năm ở Việt Nam có khoảng 2 triệu cú sét đánh xuống đất. Đặc biệt, trong mấy năm gần đây, thiệt hại do sét gây nên ngày một nghiêm trọng hơn. Do các tòa nhà mọc lên nhanh chống. Vì thế, để đảm bảo cân bằng điện thế ở chỗ nối đất, tránh hiện tƣợng chênh lệch điện thế giữa các hệ thống nối đất làm phá hỏng thiết bị điện tử cần phải thực hiện nối đẳng thế giữa các hệ thống nối đất. Phần lớn hệ thống nối đất chống sét trong các tòa nhà đƣợc nối chung với hệ thống nối đất trung tính nguồn. Tùy theo giá trị điện trở đất tại nơi nối đất của các hệ thống mà các hình dạng và các giá trị biên độ của dòng điện sét đi vào mạng điện của tòa nhà, đi qua trung tính thứ cấp của máy biến áp phân phối và dòng điện qua các thiết bị chống sét tại ngõ vào của mạng điện tòa nhà có những giá trị khác nhau. Do đó, điều quan trọng phải xác định đƣợc thông số dòng điện sét tại các vị trí khác nhau trong tòa nhà, là cơ sở cho việc lựa chọn và bố trí thiết bị chống sét (SPD) cho mạng điện trong các tòa nhà. Nhằm hạn chế những thiệt hại do sét gây ra ở mức thấp nhất trong các tòa nhà phải lắp đặt các thiết bị chống sét (SPD). Đây đƣợc xem là giải pháp hỗ trợ cho việc phòng chống sét hiệu quả và mang lại những kết quả khả quan. Tuy nhiên, để lựa chọn cũng nhƣ phát huy một cách có hiệu quả các thiết bị chống sét, cần thiết phải xem xét đến các yếu tố có ảnh hƣởng trực tiếp đến khả năng hoạt động của thiết bị chống sét. Những yếu tố cần quan tâm đó là giá trị điện trở tiếp đất của hệ thống chống sét thẳng và giá trị điện trở nối đất của hệ thống nguồn cung cấp. Hình dạng và giá trị biên độ dòng điện sét đánh trực tiếp vào hệ thống chống sét và đi qua các thiết bị chống sét (SPD) trong các cấu hình khác nhau. Hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu và sản xuất thiết bị chống sét đánh trực tiếp cho mạng điện trong tòa nhà đã đi sâu nghiên cứu và đề ra các mô hình thiết bị Trang 1
20. LUẬN VĂN THẠC SĨ chống sét với mức độ chính xác cao, các quan điểm xây dựng mô hình cũng khác nhau. Mặt khác một số phần mềm mô phỏng cũng đã hỗ trợ trong việc xây dựng mô hình các thiết bị chống sét. Tuy nhiên, do đặc điểm của phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng là có yêu cầu về mức độ chính xác, mức độ tƣơng đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu của đối tƣợng. Bằng cách mô hình hoá và dùng chƣơng trình Matlab tạo nguồn xung sét để mô phỏng, nhằm xác định các thông số dòng điện trong mạng điện tòa nhà khi sét đánh trực tiếp lên những vị trí khác nhau ứng với các kiểu bảo vệ và các giá trị điện trở nối đất khác nhau của hệ thống nối đất chống sét trực tiếp và hệ thống nối đất nguồn cung cấp ở nƣớc ta rất ít đƣợc thực hiện. Từ những lý do đó nên đề tài “Nghiên cứu phân bố dòng sét và điện áp trên các SPD khi sét đánh vào tòa nhà” cần phải tiến hành sớm, nhằm xác định các giá trị biên độ và hình dáng của dòng sét trong hệ thống điện hạ thế của tòa nhà, giúp cho việc lựa chọn và sử dụng các thiết bị chống sét tin cậy, hiệu quả và kinh tế nhất. 2. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI - Tìm hiểu cấu trúc mạng điện hạ thế, hệ thống nối đất chống sét và hệ thống nối đất trung tính nguồn. - Nghiên cứu phân bố dòng xung sét, điện áp trong hệ thống nối đất chống sét và hệ thống nối đất trung tính nguồn khi sét đánh trực tiếp vào kim thu sét đặt trên nóc nhà. - Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị chống sét van MOV. - Nghiên cứu phần mềm mô phỏng Matlab. - Xây dựng mô hình với các cấu hình bảo vệ và số tòa nhà khác nhau. - Xác định giá trị biên độ dòng điện sét qua các thiết bị bảo vệ chống sét (SPD) và các hệ thống nối đất khi sét đánh trực tiếp vào kim thu sét của tòa nhà. - Xác định điện áp dƣ của các SPD khi tản dòng sét xuống đất. - Nhận xét, đƣa ra cách lựa chọn SPD và đề xuất hƣớng phát triển cho chống sét đánh trực tiếp tối ƣu trên đƣờng cấp nguồn. Trang 2
21. LUẬN VĂN THẠC SĨ 3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài chỉ nghiên cứu phân bố dòng sét, điện áp trong hệ nối đất chống sét và hệ thống nối đất trung tính nguồn của mạng điện hạ thế khi sét đánh trực tiếp vào tòa nhà với các cấu hình khác nhau. 4. CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH - Thu thập, nghiên cứu chọn lọc tài liệu liên quan. - Tìm hiểu hệ thống nối đất chống sét đánh trực tiếp và hệ thống nối đất trung tính nguồn của mạng điện hạ thế của tòa nhà. - Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị chống sét van MOV. - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng Matlab. - Xây dựng các mô hình với các cấu trúc bảo vệ và số lƣợng tòa nhà khác nhau. - Thực hiện mô phỏng. - Đánh giá kết quả thu đƣợc, nhận xét và kết luận. 5. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI - Đánh giá đƣợc hình dạng và biên độ dòng điện xung sét đi qua các thiết bị chống sét khi sét đánh thẳng vào hệ thống chống sét trực tiếp của tòa nhà với những cấu hình khác nhau, tại các vị trí khác nhau trong mạng điện hạ thế có hệ thống nối đất chống sét trực tiếp đƣợc nối chung với hệ thống nối đất trung tính nguồn. - So sánh đƣợc biên độ dòng xung sét qua thiết bị chống sét khi thay đổi giá trị điện trở đất. - Kết quả mô phỏng đƣợc sử dụng làm cơ sở lựa chọn thiết bị chống sét phù hợp. 6. TÍNH THỰC TIỄN Kết quả nghiên cứu đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo cho công tác học tập và nghiên cứu trong lĩnh vực chống sét, giúp hiểu rõ sự phân bố dòng điện trong mạng điện của tòa nhà khi sét đánh trực tiếp vào hệ thống chống sét tòa nhà. Trang 3
22. S K L 0 0 2 1 5 4