Thiết bị chống sét lan truyền surge protective divices

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Báo Cáo Bài Tập Lớn

Các Thiết Bị Chống Sét Lan Truyền Surge Protective Divices

NHÓM I Ngành Kỹ thuật Điện

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Anh

Bộ môn: Các Thiết bị Đóng cắt và Bảo vệ

Nhóm sinh viên thực hiện Ký và ghi rõ họ tên

Hoàng Quốc Anh: 20181079 Trần Đức Hiếu: 20161573 Phạm Trung Hiếu: 20173878 Nguyễn Trọng Khôi: 2018185 Lê Hoàng Long: 20181201 Phạm Đức Toàn: 20181279 Lê Minh Chiêu: 20191450 Vy Đức Trung: 20181286 Nguyễn Đức Hải: 20173823 Phan Văn Tiến: 20181277

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 5/2021

Lời cảm ơn

Trong thời gian học tập tai trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, em đã được các thầy cô giáo giảng dạy tận tình, truyền đạt cho em những kiến thức rất bổ ích để cho em có được những vốn kiến thức rất quan trong cho chuyên ngành của em sau này Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Em xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu nhà trường cùng quý thầy cô đã tận tâm giảng dạy cho em để giúp em hoàn thành tốt khóa học.

Em xin kính chúc quý thầy cô ngày càng khỏe mạnh để phấn đấu đạt thành tích cao trong công tác giảng dạy Chúc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội sẽ mãi là niềm tin, nền tảng vững chắc cho nhiều thế hệ sinh viên với bước đường học tập.

Tóm Tắt Bài Tập Lớn

CHƯƠNG I Tìm hiểu chung và tổng quan về quá điện áp ( Sét )

1 Sét:

1.1) Nguồn gốc

-Cho đến thời điểm hiện nay, nguồn gốc hình thành của sự tích điện vẫn còn đang là một vấn đề được giới khoa học nghiêm cứu, vì vậy ta sẽ tạm thời bỏ qua nó và nói đến hoạt động của tia sét

1.2) Định nghĩa sét

-Sét là hiện tượng phóng điện giữa các đám mây tích điện trái đấu hoặc giữa mây và đất khi cường độ điện trường đạt đến trị số cường độ phóng điện trong không khí.

2 Tác hại của sét:

2.1 Sét đánh trực tiếp:

Không khí xung quanh nơi bị sét đánh trúng sẽ bị nung nóng điện mức có thể làm tan chảy một tấm sắt 4mm, đặc biệt nguy hiểm với những công trình có vật li ệu dễ cháy nổ

H1 Sét rất đẹp nhưng cực kỳ nguy hiểm

2.2) Tác động gián tiếp:

-Mọi chuyện sẽ đơn giản hơn nếu như tác hại của sét chỉ dừng lại ở đó, khi xảy ra phóng điện sét sẽ gây nên một làn dóng điện từ tỏa ra xung quang với tốc độ rất lớn Làn song điện từ này truyền vào các công trình theo các đường dây điện, dây mạng hoặc ống kim loại… tạo ra sự chênh lệch điện áp ảnh hưởng lên thiết bị trong công trình, gây hư hỏng đặc biêt đối với các thiết bị nhạy cảm như: thiết bị điện tử, máy tính cũng như mạng máy tính, trâu cày,…

H2 Dàn trâu cày với chi phí rất lớn

3 Tiêu chuẩn phòng chống sét:

Mặc dù đã có một số tiêu chuẩn cụ thể về việc phòng chống sét đánh đối với công trình và nhà ở được quy định trong Tiêu Chuẩn Xây Dựng Việt Nam 46:2007, tuy nhiên thực tế vẫn không có hướng dẫn cụ thể nào cho những vấn đề này Câu hỏi thực sự được đặt ra là mọi người sống tại khu vực đó có cảm thấy an toàn hay không và cần thiết lắp hệ thống chống sét không Câu trả lời có thể căn cứ vào các yếu tố sau:

 Xác suất sét đanh tại khu vực đó cao hay thấp  Vị trí của công trình

 Độ cao của công trình

 Giá trị những vật thể bên trong công trình hoặc những hậu quả có thể xảy ra nếu công trình đó bị sét đánh

CHƯƠNG II Các kiểu chống sét cơ bản

-Chức năng chính của hệ thống chống sét là thu hút sét đánh vào nó rồi chuyển dòng điện do sét đánh tạo ra xuống đất 1 cách an toàn, tránh sét đánh vào các phần kết cấu khác cần được bảo vệ và gây hại cho con người hay công trình.

-Thông thường khi nói đến hệ thống chống sét , ta thường nghĩ đến 1 hệ thống chống sét đơn giản: chỉ cần 1 vật kim loại nhọn trên đỉnh rồi nối nó với 1 dây dẫn kim loại rồi cắm xuống đất là xong Tuy nhiên trong thực tế để đối phó với 1 dòng điện manh và nhanh thì ta cần nhiều hơn thế Một hệ thống chống sét sẽ phức tạp hơn nhiều.

-Theo tiêu chuẩn IEC, có 2 đồ thị đặc tính dạng sóng của dòng điện được nghiên cứu : sóng 10/350μs từ sét đánh trực tiếp và 8/20μs từ sét đánh gián tiếps từ sét đánh trực tiếp và 8/20μs từ sét đánh trực tiếp và 8/20μs từ sét đánh gián tiếps từ sét đánh gián tiếp

H3 Chống sét bằng cột thu lôi

 Bộ phận thu sét : Mục đích chính để thu hút sét đánh vào nó Nó có thể là kim thu sét (loại cổ điển, loại phóng điện sớm hoặc loại phân tán điện tích), hoặc có thể là dây thu sét hoặc lưới thu sét

 Mạng nối đất (Hệ thống tiếp địa): Bao gồm nhiều cọc tiếp đất bằng kim loại được chôn dưới 1 độ sâu nhất định, được liên kết với nhau và tạo trành 1 mạng lưới truyền dẫn giúp tiêu tán dòng điện ra đất 1 cách an toàn Nếu hệ thống tiếp địa không tốt coi như mọi thiết bị chống sét là vô dụng

 Bộ phân dây dẫn xuống : (dây thoát sét) là dây dẫn nối giữa bộ phận thu sét và mạng nối đất, thường được làm bằng đồng vì có tính dẫn điện tốt và rẻ tiền Dây dẫn phải được bọc kỹ, ưu tiên đặt bên ngoài công trình và ở chỗ kín đáo.

 Các loại mối nối : Bất kỳ mối nối khác với mối nối hàn đều thể hiện sự gián đoạn trong hệ thông dẫn điện và nhạy cảm với sự thay đổi và hư hỏng Nê càng ít mối nối càng tốt

 Cực nối đất : Bộ phận hoặc nhóm các bộ phận dẫn điện có tiếp xúc với đất có thể truyền dòng điện sét xuống đất Cực nối đất mạch vòng là 1 bộ phân không thể tách rời của mạng nối đất giúp giảm sự chênh lệch điện thế Ngoài ra, để phục vụ đo kiểm tra thì cực nối đất tham chiếu sẽ được lắp đặt

 Mỗi loại kim thu sét đều có vùng bảo vệ khác nhau cần thiết kế và tính toán hợp lý cho mỗi công trình.

2 Chống sét bằng cột thu sét nối bằng dây căng

H4 2 Cột cao bằng nhau được nối dây

3 Chống sét bằng lồng Faraday

H5 Lồng Faraday ứng dụng cho tòa nhà

4 Chống sét bằng Thiết bị Chống sét Lan truyền (Surge Protection Devices - SPD)

4.1 Định nghĩa:

- Là 1 phần của hệ thống bảo vệ mạng điện

-Được lắp song song với nguồn cung cấp cho tải mà nó bảo vệ

-Được thiết kế để dẫn dòng điện xuống đất khi bị sét đánh để bảo vệ thiết bị

H6 SPD trong bảo vệ mạng điện

4.2 Phân loại SPD (Type 1, Type 2, Type3)  Type 1:

-Thiết bị chống sét lan truyền loại 1 được khuyến cáo sử dụng trong trường hợp cụ thể như xí nghiệp, tòa nhà, nhà máy công nghiệp,… đã được bảo vệ bởi hệ thống chống sét hoặc lồng lưới chống sét trực tiếp.

-Thiết bị này bảo vệ cho hệ thống điện SPD loại 1 có khả năng xả dòng ngược do dòng sét lan truyền dội ngược từ dây dẫn đất đến dây dẫn của hệ thống lưới điện.

-Thiết bị chống sét lan truyền loại 1 được đặc trưng bởi dòng điện dạng sóng 10/350µs.

 Type 2:

-Thiết bị chống sét lan truyền loại 2 là hệ thống bảo vệ chính cho tất cả các thiết bị điện hạ thế Thiết bị này được lắp đặt trong mỗi tủ điện để ngăn ngừa sự lan truyền quá áp trong hệ thống điện và bảo vệ các tải.

-Thiết bị chống sét lan truyền loại 2 được đặc trưng bởi dòng điện dạng sóng 8/20µs.

 Type 3:

-Thiết bị chống sét lan truyền loại 3 có dung lượng xả thấp Chính vì thế, chúng phải được lắp đặt một cách bắt buộc như thiết bị bổ sung cho SPD Loại 2 và trong vùng lân cận các tải nhạy cảm.

-Thiết bị chống sét lan truyền loại 2 được đặc trưng bởi sự kết hợp của các sóng điện áp (1.2/50µs) và sóng dòng (8/20µs).

H7 Chọn SPD theo mức độ nguy hiểm sét

 Phân loại theo số pha bảo vệ: 1 pha hoặc 3 pha

Trong bản báo cáo này sẽ đề cập chủ yếu đến thiết bị chống sét lan truyền SPD này

H8 Hình 8

CHƯƠNG III Tìm hiêu sâu về SPD

1 Các thông số cơ bản trên SPD:

Điện áp hoạt động tối đa - Uc (Maximum operating voltage)

-Thông số này chỉ ra SPD còn có thể hoạt động liên tục với mức điện áp cụ thể nào đó, nếu cao hơn mức này thì SPD sẽ bị hư hỏng.

Dóng phóng định mức - In (nominal discharge current)

-Dòng phóng điện danh định (In) là mức dòng điện xung một thiết bị chống sét loại 1 hoặc loại 2 có thể chịu đựng lặp lại (15 xung) mà không bị phá hủy.

Dòng phóng điện xung cho thiết bị type 1 - Iimp (impulse current for type 1)

-Dòng điện xung (Iimp), được sử dụng trong bảo vệ cấp 1 (Class I) đối với SPD loại 1, là dòng xung điện có dạng sóng 10/350μs từ sét đánh trực tiếp và 8/20μs từ sét đánh gián tiếps tối đa SPD có thể chịu được mà không bị phá hủy.

Dòng phóng điện tối đa cho thiết bị type 2 - Imax (maximum discharge current

for type 2)

-Dòng phóng điện cực đại (Imax), áp dụng đối với thiết bị chống sét loại 2, là dòng điện xung 8/20μs từ sét đánh trực tiếp và 8/20μs từ sét đánh gián tiếps tối đa mà SPD vẫn có thể chịu được và không bị phá hủy Cấp độ bảo vệ - Up (level of protection)

Điện áp dư hay điện áp sót tối đa của SPD trong quá trình phóng dòng xung 8/20μs từ sét đánh trực tiếp và 8/20μs từ sét đánh gián tiếps (tại giá trị tối đa của In hoặc Iimp).

Thời gian đáp ứng - tr (response time)

-Thông số thời gian đáp ứng (hay thời gian nhạy đáp) đặc trưng cho tốc độ kích hoạt bảo vệ của SPD

-Nó có thể thay đổi theo độ dốc của dạng sóng áp dụng, mặc dù nói chung thời gian đáp ứng cho các varistor được coi là 25 ns, trong khi đối với bộ phóng điện (spark gap) là 100 ns.

2 Cấu tạo và nguyên lý SPD:

H.11 Varistor

Các thành phần cơ bản bên trong

1 Màn hiển thị: Cho biết SPD còn hoạt động hay không

2 Mối hàn: Khi sét đánh quá lớn, hoặc sét đánh nhiều lần thì mối hàn bị chảy ra do nhiệt độ cao

3 Cơ cấu chuyển dịch màn hiển thị4 Dây dẫn hoặc thanh dẫn điện5 Các cực nối pha nóng hoặc nối đất

6 Varistor trong một số loại dùng Gas Discharge Tube và được nối giữa 2 cực pha nóng và nối đất

H11 GDT

6

H12 Cũng là Varistor

2.2 Nguyên lý

- Dựa trên nguyên lý dòng điện sẽ đi qua nơi có điện trở thấp hơn, với tiếp địa bình thường <4Ώ

- Trong trạng thái bình thường không có xung sét, điện trở (Varistor) của SPD rất lớn sẽ không cho phép dòng điện đi qua 2 cực (5)

- Khi xuất hiện xung sét quá áp nó sẽ làm biến đổi điện trở (Varistor), giảm điện trở xuống và cho phép phóng dòng điện áp cao của sét đi thẳng xuống dưới bộ phận tiếp địa, từ đó làm giảm biên độ xung điện áp xuống mức an toàn cho thiết bị và mạng điện.

- Khi xung sét đánh nhiều lần ( khoảng 15 xung) hoặc có 1 xung rất lớn đánh vào, mối hàn sẽ bị chảy ra làm hở mạch và cho phép cơ cấu (3) dịch màn hình hiển thị sang màu đỏ báo SPD đã bị hỏng

- Trong tủ điện người ta thường nối đèn LED với SPD để báo hiệu còn dung được hay không

- Có thể hiểu SPD giống như van thoát nước vậy, khi nước ngập quá nhiều, nó sẽ đẩy nắp thoát nước xuống và cho phép thoát nước tới mức cho phép Cho nên người ta cũng gọi SPD là van thoát sét

3 Lắp đặt SPD và một số thiết bị SPD thực tế

4 Protection modes - kiểu bảo vệ / kiểu đấu nối của SPD

Khi tìm hiểu các thông số kỹ thuật để chọn lựa thiết bị chống sét lan truyền (SPD) cho hệ thống điện, các kỹ thuật viên cũng như người dùng thường chú ý các thông số: mạng điện (1 pha / 3 pha), điện áp làm việc, khả năng cắt sét, điện áp dư, … tuy nhiên có 1 thông số cũng rất quan trọng, quyết định đến việc hoạt động chính xác, hiệu quả bảo vệ của SPD nhưng ít được quan tâm đó là: “Protection Modes” (nghĩa tiếng Việt: Kiểu bảo vệ hoặc Kiểu đấu nối).

Ý nghĩa của “Protection Modes”: cho biết cách lắp đặt (kiểu đấu nối) của SPD trên mạng điện Protection Modes cũng giúp nhận biết loại SPD này phù hợp lắp đặt cho kiểu mạng điện nào: IT, TT hay TN vì mỗi mạng điện theo quy chuẩn sẽ cho phép áp dụng Protection Modes nhất định.

Protection Modes có 2 kiểu:

4.1- Common Mode hay còn gọi là đồng hướng: bảo vệ giữa L-PE và

N-PE SPD sẽ được đấu nối giữa từng dây pha (L) với dây bảo vệ chính (PE) và giữa dây trung tính (N) với dây bảo vệ chính (PE).

SPD: Thiết bị chống sét lan truyền.

F: Thiết bị bảo vệ, vd: cầu chì, MCB,… do nhà sản xuất thiết bị chống sét chỉ định

4.2- Differential Mode hay còn gọi là lệch hướng hoặc chồng

hướng: bảo vệ giữa L-N và N-PE SPD sẽ được đấu nối giữa từng dây pha (L) với dây trung tính (N), và giữa dây trung tính (N) với dây bảo vệ chính (dây PE).

Các nhà sản xuất ngoài thông số “Protection Modes” cũng đưa ra thông số “AC system” hoặc “System Compatibility” (nghĩa tiếng Việt: Hệ thống điện thích hợp) chỉ rõ SPD này được lắp đặt cho kiểu mạng điện nào: IT,

TT hay TN.

Một số SPD có Protection Modes là “All modes”: có nghĩa là SPD này phối hợp tất cả các kiểu bảo vệ: L-N, L-PE và N-PE

5 Chọn kiểu bảo vệ theo hệ thống điện

Các sản phẩm thiết bị cắt sét của Citel, AT3W, Alltec hay các nhà sản xuất khác đều nêu rõ các SPD đó được lắp đặt theo bảo vệ kiểu nào đề phù hợp với mạng điện nào đó, người sử dụng cần phải quan tâm đến yêu cầu này để đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu quả và an toàn điện được bảo đảm.

5.1 Kiểu bảo vệ cho mạng điện TT

Áp dụng Protection Modes kiểu 2: L-N & N-PE SPD sẽ được đấu nối giữa từng dây pha (L) với dây trung tính (N), và giữa dây trung tính (N) với dây bảo vệ chính (dây PE).

5.2.Kiểu bảo vệ cho mạng điện TN

5.2.1 Với mạng điện TN-C

Áp dụng Protection Modes kiểu 1: L-PE SPD sẽ được đấu nối giữa từng dây pha (L) với dây bảo vệ chính (PE).

5.2.2 Với mạng điện TN-S

Áp dụng cả 2 kiểu Protection Modes 1 & 2:

- Kiểu 1: kiểu bảo vệ L-PE & N-PE : SPD sẽ được đấu nối giữa từng dây

pha (L) với dây bảo vệ chính (PE) và giữa dây trung tính (N) với dây bảo vệ chính (PE).

- Kiểu 2: L-N & N-PE SPD sẽ được đấu nối giữa từng dây pha (L) với

dây trung tính (N), và giữa dây trung tính (N) với dây bảo vệ chính (dây PE).

5.3 Kiểu bảo vệ cho mạng điện IT

Áp dụng Protection Modes kiểu 1: L-PE & N-PE (cho cả 2 hệ IT có & không có dây trung tính) SPD sẽ được đấu nối giữa từng dây pha (L) với dây bảo vệ chính (PE) và giữa dây trung tính (N) với dây bảo vệ chính (PE).

Một số thiết bị SPD thực tế

Thiết bị chống sét hãng Dehn (DG M TNC 275)

Các thông số kỹ thuật

Surge Protective Devices (SPD) theo tiêu chuẩn IEC 61343-11 Cấp 3

Khả năng thoát xung (8/20 μs từ sét đánh trực tiếp và 8/20μs từ sét đánh gián tiếps) (In) 20 kA

Mã hàng Chống Sét Alltec-USA : PT-RD-40-250V-15A Xuất xứ Cắt lọc sét 1 pha, 15A : Alltec-USA

Test theo tiêu chuẩn : UL1449 3rd Edition

Số cực Cắt lọc sét : 01 pha, 02 cực

Công nghệ chế tạo Alltec-USA : MOV (Metal Oxide Varistor) Điện áp làm việc bình thường Un : 240Vac

Dòng tải cực đại Alltec-USA : 15A Điện áp làm việc liên tục cực đại Uc : 260V

Dòng cắt sét bình thường In : 3kA xung 8/20µs Dòng cắt sét cực đại Imax : 40kA xung 8/20µs Mức điện áp bảo vệ Up (L-N) : 800V

Mức điện áp bảo vệ Up (L-PE) : 800V Mức điện áp bảo vệ Up (N-PE) : 800V

Độ cao lắp đặt so với mực biển : ≤ 3000m Độ kính chống bịu, chống nước : IP20