THÀNH PH CHÍ MINHsdh.hcmute.edu.vn/Resources/Docs/SubDomain/sdh/2019/Tom tat LATS... · vực điện, điện tử và đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông, mạng máy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LÊ QUANG TRUNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP BẢO VỆ

CHỐNG SÉT CHO CÔNG TRÌNH ĐIỂN HÌNH Ở VIỆT NAM

TOÁM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ: 62520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6/2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LÊ QUANG TRUNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP BẢO VỆ

CHỐNG SÉT CHO CÔNG TRÌNH ĐIỂN HÌNH Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 62520202

Hướng dẫn khoa học: 1. PGS-TS. Quyền Huy Ánh

2. PGS-TS Vũ Phan Tú

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6/2019

NCS: Lê Quang Trung 1

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài

Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm có gió mùa, mật độ sét cao. Vì

vậy, thiệt hại do sét gây ra hàng năm là rất lớn về con người, dịch vụ và kinh tế. Đăc biệt,

ngày nay khoa hoc công nghệ ngày càng phat triên, IOT (Internet Of Thing – Vạn vật kết

nôi Internet) đươc chu trong ưng dụng trong nhiều lĩnh vực; thiết bị sử dụng trong lĩnh

vực điện, điện tử và đăc biệt trong lĩnh vực viễn thông, mạng may tính,… có độ nhạy với

qua điện ap cao nên dễ bị hư hỏng khi có sự thay đôi đột ngột cua dong điện và điện ap

do sét.

Các thiệt hại do sét gây ra cho cac trang thiết bị điện, điện tử thường xẩy ra ở hai

trường hơp sau:

- Thiệt hại do sét đanh trực tiếp: Sét đanh vào cac kết cấu cua công trình có thê gây hư

hại tài sản, hệ thông điện điện tử bên trong công trình và đăc biệt trong đó con có con

người.

- Thiệt hại do sét lan truyền trên đường nguồn: Khi sét đanh gân công trình hay khi

sét đanh trực tiếp hoăc gân cac đường dây cấp nguồn hay cac đường dây dịch vụ (cac hệ

thông dây dân điện chính, cac đường dây thông tin liên lạc,…) kết nôi đến công trình thì

cac thiết bị bên trong công trình có thê hư hỏng do quá áp sét gây ra. Thiệt hại do sét

trong trường hơp này không chỉ là việc phải thay thế thiết bị mà thiệt hại nghiêm trong

hơn là ngừng dịch vụ hay mất dữ liệu. Cụ thê tại Việt Nam, theo sô liệu thông kê 2001,

đôi với ngành điện có 400 sự cô mà 50% do sét gây ra (Báo Tiền Phong 14/08/02). Còn

đôi với ngành Bưu chính Viễn Thông thì có 53 sự cô do sét (chiến 27,13% sự cô viễn

thông) gây thiệt hại là 4,119 tỷ và tông thời gian mất liên lạc do sét là 716 giờ (chông sét

cho mạng viễn thông Việt Nam – Những điều bất cập. Lê Quôc Tuân – Ban viễn thông,

Phạm Hồng Mai – TTTTBĐ).

Từ năm 1998 đến nay, cùng với việc nghiên cưu công nghệ chông sét và đề ra cac giải

phap chông sét đã đươc nhiều tô chưc, cơ quan quan tâm, cũng như sự ra đời cua cac

công ty trong lãnh vực chông sét đã tạo điều kiện đê chung ta tiếp cận cac công nghệ và

thiết bị chông sét hiện đại, nhưng hâu hết cac giải phap chông sét ở Việt Nam đưa ra chưa

mang tính tông thê bao gồm từ việc đanh gia rui ro thiệt hại do sét gây ra đê tính toán xác

định mưc bảo vệ chông sét cân thiết, trên cơ sở đó đề xuất phương an bảo vệ (hay mưc

bảo vệ) chông sét thích hơp.

Hiện nay, trên thế giới có nhiều công trình nghiên cưu [7÷16, 18÷20] và các tiêu

chuẩn IEC 62305-2, AS/NZS 1768, IEEE 1410... đã quan tâm đến vấn đề này. Tuy nhiên,

phương phap xac định rui ro thiệt hại do sét theo cac công trình nghiên cưu nêu trên chưa

xem xét mưc độ tính toan chi tiết cua một sô hệ sô và thường truy xuất gia trị cua một sô

hệ sô từ bảng tra. Điều này dân đến phương phap tính toan ru ro thiệt hại do sét chưa sat

với điều kiện thực tế khi gia trị cac hệ sô này biến động trong phạm vi tương đôi rộng,

đăc biệt trong tính toan xac định rui ro khi xét đến loại vật liệu xây dựng công trình, ảnh

hưởng cua cach lắp đăt đường dây cấp nguồn và cac vật thê che chắn xung quanh đường

cấp nguồn cho công trình. Ngoài ra, việc sử dụng công thưc đê xac định gia trị cac hệ sô

này sẽ tạo thuận lơi cho việc tính toán và cho việc lập trình tính toan rui ro thiệt hại do sét

gây ra.


Vì vậy, mục tiêu nghiên cưu đâu tiên cua luận an là nghiên cưu, đề xuất phương

pháp tính toan rui ro thiệt hại do sét và xây dựng công cụ tính toan rui ro thiệt hại do sét

nhằm khắc phục đươc cac hạn chế nêu trên.

Sét là hiện tương tự nhiên nhưng mang tính đột biến và bất thường, việc đanh gia

hiệu quả giải phap bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn găp rất nhiều khó khăn.

Hiện nay, việc đanh gia khả năng bảo vệ cua thiết bị chông sét chu yếu dựa vào gia trị

điện ap ngang qua tải và gia trị điện ap này phải thấp hơn gia trị cho phép. Ở Việt Nam,

thực hiện việc kiêm tra hiệu quả bảo vệ cua một giải phap chông sét lan truyền trên

đường nguồn theo phương phap đo kiêm thực tế găp nhiều khó khăn do hạn chế về trang

thiết bị chuyên dùng. Vì vậy, việc nghiên cưu và xây dựng mô hình may phat xung sét

tiêu chuẩn và mô hình thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn có mưc độ

tương đồng so với nguyên mâu đê kiêm tra khả năng bảo vệ cua thiết bị đôi với phương

án chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ ap là cân thiết. Đây cũng là mục tiêu nghiên

cưu thư 2 cua luận án.

Hiện nay, trong nước việc đề xuất giải phap lắp đăt thiết bị chông sét lan truyền

trên đường nguồn chu yếu dưa vào kinh nghiệm, tính toan sơ bộ và chưa xét đây đu cac

yếu tô ảnh hưởng (Mật độ sét khu vực, vị trí lắp đăt, dạng xung dòng xung sét, biên độ

xung dòng, nhiệt độ môi trường, sơ đồ hệ thông phân phôi điện, đăc tính tải,....). Điều

này dân đến phương an chông sét lan truyền trên đường nguồn đề xuất chưa phù hơp với

điều kiện thực tế trong một sô trường hơp. Vì vậy, cân thiết đề xuất phương an lựa chon

lắp đăt thiết bị chông sét lan truyền trên đường nguồn có xem xét đây đu cac yếu tô ảnh

hưởng nêu trên. Đây chính là mục tiêu nghiên cưu thư 3 cua luận an.

Với các lý do như trên, luận an “Nghiên cứu đề xuất giải pháp bảo vệ chống sét

cho công trình điển hình ở Việt Nam“ là cân thiết.

1.2. Mục đích nghiên cứu

- Đề xuất phương phap cải tiến đánh giá rui ro thiệt hại do sét gây ra trên cơ sở áp

dụng phương phap tính toán đanh gia rui ro thiệt hại do sét theo tiêu chuẩn IEC 62305-2

với tính toán giá trị một sô hệ sô có mưc độ chi tiết hơn đươc tham chiếu đề xuất cua các

tiêu chuẩn khác;

- Xây dựng mô hình máy phát xung tiêu chuẩn cho các dạng xung dòng khác nhau và

mô hình thiết bị bảo vệ chông sét trên đường nguồn hạ áp phục vụ việc đanh gia hiệu quả

bảo vệ cua phương an chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp;

- Đề xuất phương an bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn hơp lý cho công

trình điên hình mang tính minh hoa.

1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cưu cac tiêu chuẩn, tài liệu và cac bài bao trong và ngoài nước liên quan đến

luận an;

- Nghiên cưu mô hình may phat xung sét tiêu chuẩn, mô hình thiết bị bảo vệ chông sét

lan truyền trên đường nguồn hạ ap;

- Nghiên cưu và đề xuất phương phap đanh gia rui ro thiệt hại do sét có mưc độ chi tiết

hơn ở một sô hệ sô so với tiêu chuẩn IEC 62305-2, trên cơ sở tham chiếu từ tiêu chuẩn

AS/NZS 1768, IEEE 1410.

- Nghiên cưu giải phap chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ ap cho công trình

điên hình mang tính minh hoa.

1.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

- Luận an chỉ tập trung nghiên cưu và đề xuất phương phap cải tiến đanh gia rui ro

thiệt hại do sét và phương an chông sét lan truyền trên đường nguồn cho công trình.

- Khi đề xuất phương an bảo vệ chông sét cho công trình điên hình mang tính minh

hoa, giả thiết:


+ Công trình đã đươc trang bị hệ thông chông sét trực tiếp theo công nghệ phóng tia

tiên đạo sớm.

+ Sử dụng cap thoat sét chông nhiễu, hạn chế hiện tương cảm ưng điện từ do sét gây ra

trong khu vực công trình

+ Công trình đã đươc trang bị hệ thông nôi đất đạt chuẩn

+ Cac đường truyền tín hiệu đã đươc trang bị hệ thông bảo vệ chông sét theo tiêu

chuẩn

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập và nghiên cưu cac tài liệu trong nước và nước ngoài;

- Phương phap mô hình hóa mô phỏng may phát xung sét, thiết bị chông sét hạ ap

trong môi trường Matlab;

- Phương phap phân tích và tông hơp.

1.6. Điểm mới của luận án

- Đề xuất phương phap cải tiến đanh gia rui ro thiệt hại do sét gây ra có mưc độ tính

toán chi tiết ở một sô hệ sô so với phương phap đanh gia rui ro đề xuất bởi tiêu chuẩn

IEC 62305-2;

- Đề xuất mô hình cải tiến máy phat xung sét với nhiều dạng xung dong khác nhau, mô

hình thiết bị chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ ap có mưc độ tương đồng cao so

với nguyên mâu nhằm phục vụ mô phỏng đê lựa chon phương an và thiết bị bảo chông

sét lan truyền trên đường nguồn hơp lý;

- Đề xuất quy trình đanh gia hiệu quả bảo vệ thiết bị chông sét lan truyền trên đường

nguồn hạ ap cho công trình điên hình mang tính minh hoa từ bước xac định rui ro thiệt

hại do sét bằng phương phap giải tích đến bước áp dụng phương phap mô hình hóa mô

phỏng đê lựa chon thông sô và vị trí lắp đăt thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên

đường nguồn đap ưng đươc yêu câu kỹ thuật.

1.7 Ý nghĩa khoa học

- Kết quả đanh gia rui ro thiệt hại do sét cho công trình minh hoa theo phương phap cải

tiến và phương phap đề xuất theo tiêu chuẩn IEC 62305-2 có sự chênh lệch đang kê về

giá trị rui ro thiệt hại cho con người (13%), và giá trị rui ro thiệt hại về kinh tế (11%) cho

thấy sự cân thiết cua việc xem xét mưc độ tính toán chi tiết ở một sô hệ sô và trong đó có

hệ sô che chắn do các vật thê lân cận công trình;

- Đanh gia hiệu quả bảo vệ cua phương an chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ

áp bằng phương phap mô hình hóa mô phỏng, trong điều kiện không thê đo kiêm quá

điện áp do sét trong thực tế.

1.8 Giá trị thực tiễn

- Kết quả nghiên cưu có thê làm tài liệu tham khảo về phương phap đanh gia rui ro

thiệt hại do sét với mưc độ tính toán chi tiết hơn ở một sô hệ sô so với tiêu chuẩn IEC

62305-2, và giải pháp bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp cho các cơ

quan, đơn vị, công ty tư vấn thiết kế chông sét, các nghiên cưu sinh, hoc viên cao hoc

trong ngành kỹ thuật điện khi nghiên cưu về bài toán bảo vệ qua ap do sét trên đường

nguồn hạ áp.


Chương 2

PHƯƠNG PHAP CẢI TIẾN

ĐANH GIA RUI RO THIỆT HẠI DO SET

2.1. Tổng quan các phương pháp đánh giá rủi ro thiệt hại do sét

2.1.1. Đánh giá rủi ro thiệt hại do sét theo tiêu chuân IEC 62305-2/BS EN 62305-2

2.1.1.1. Pham vi áp dụng

Tiêu chuẩn IEC 62305-2 [1]/BS EN 62305-2 [4] về đanh gia rui ro đươc ap dụng

cho cac công trình hay những dịch vụ liên quan. Mục đích cua tiêu chuẩn là cung cấp quy

trình đanh gia các rui ro do sét gây ra cho các công trình xây dựng. Một khi gia trị rui ro

tính toan cao hơn so với gia trị rui ro cho phép, quy trình sẽ cho phép lựa chon và ap

dụng những biện phap bảo vệ thích hơp đê làm giảm rui ro đến mưc bằng hoăc thấp hơn

so với gia trị rui ro cho phép.

2.1.1.2. Nhưng thiêt hai, tôn thât do set

- Dong điện sét là nguồn gôc chu yếu gây ra những thiệt hại, phân biệt theo vị trí

sét đanh: S1 là sét đanh trực tiếp vào công trình; S2 là sét đanh gân công trình; S3 là sét

đanh trực tiếp vào đường dây dịch vụ kết nôi đến công trình; S4 là sét đanh gân đường

đường dây dịch vụ kết nôi đến công trình.

- Những thiệt hại do sét đanh phụ thuộc vào đăc điêm cua công trình bao gồm:

Thiệt hại liên quan đến tôn thương về con người hay động vật do điện giật là D1; thiệt hại

về vật chất là D2; thiệt hại hay sự cô những hệ thông điện, điện tử bên trong công trình

D3

- Môi dạng thiệt hại đơn lẽ hay liên quan nhau có thê tạo ra những tôn thất trong

công trình đươc bảo vệ. Dạng tôn thất bao gồm: Tôn thất về cuộc sông con người L1; tôn

thất những dịch vụ công cộng L2; tôn thất về di sản văn hóa L3; tôn thất về gia trị kinh tế

L4. Các nguồn thiệt hại, dạng thiệt hại và những dạng tôn thất theo vị trí sét đanh trình

bày ở Bảng 21, Phụ lục 1

2.1.1.3. Rui ro va nhưng thanh phân rui ro

a. Rui ro:

Loại rui ro bao gồm: Rui ro tôn thất về con người là R1; rui ro tôn thất về dịch vụ

công cộng là R2; rui ro tôn thất về di sản văn hóa là R3; rui ro tôn thất về gia trị kinh tế là

R4.

b. Nhưng thanh phân rui ro cho công trình do set đánh trưc tiêp vao công trình:

RA là thành phân rui ro do sét đanh trực tiếp vào công trình, điện ap tiếp xuc và

điện ap bước bên trong và bên ngoài công trình trong phạm vi 3m xung quanh những bộ

phận dân dong sét gây tôn thương đến sự sông do điện giật; RB là thành phân rui ro do sét

đanh trực tiếp vào công trình, phóng điện nguy hiêm bên trong công trình gây ra chay nô

gây thiệt hại về vật chất và có thê gây nguy hiêm cho môi trường xung quanh; RC là thành

phân rui ro do sét đanh trực tiếp vào công trình, trường điện từ gây sự cô cho hệ thông

điện, điện tử.

c. Thanh phân rui ro cho công trình do set đánh gân công trình:

RM là thành phân rui ro do sét đanh gân công trình, trường điện từ gây sự cô cho

hệ thông bên trong công trình;

d. Nhưng thanh phân rui ro cho công trình do set đánh vao nhưng đương dây dich vụ kêt

nôi đên công trình:

RU là thành phân rui ro do sét đanh trực tiếp vào những đường dây dịch vụ kết nôi

đến công trình, điện ap tiếp xuc và điện ap bước bên trong công trình gây tôn thương về

sự sông do điện giật; RV là thành rui ro do sét đanh trực tiếp vào những đường dây dịch


vụ kết nôi đến công trình, dong sét truyền trên những đường dây dịch vụ gây thiệt hại về

vật chất; RW là thành phân rui ro do sét đanh trực tiếp vào những đường dây dịch vụ kết

nôi đến công trình, qua ap cảm ưng lan truyền trên những đường dây dịch vụ đi vào công

trình gây sự cô những hệ thông bên trong công trình.

e. Nhưng thanh phân rui ro cho công trình do set đánh gân nhưng đương dây dich vụ kêt

nôi vơi công trình:

RZ là thành phân rui ro do sét đanh gân những đường dây dịch vụ kết nôi với công

trình, qua ap cảm ưng lan truyền trên đường dây dịch vụ đi vào công trình gây sự cô

những hệ thông bên trong công trình.

2.1.1.4. Tông hơp nhưng thanh phân rui ro

R1: Rui ro tôn thất về cuộc sông con người.

R1 = RA1+RB1+RC11)+RM1

1)+RU1+RV1+RW11)+RZ1

1) (2.1)

R2: Rui ro tôn thất về dịch vụ công cộng.

R2 = RB2 + RC2 + RM2 + RV2 + RW2 + RZ2 (2.2)

R3: Rui ro tôn thất về di sản văn hóa.

R3 = RB3+ RV3 (2.3)

R4: Rui ro tôn thất về gia trị kinh tế.

R4 = RA42) + RB4 + RC4 + RM4 + RU4

2) + RV4 + RW4 + RZ4 (2.4)

2.1.1.5. Đánh giá rui ro

a. Quy trinh:

Quy trình cơ bản đê đanh gia rui ro bao gồm: Xac định công trình cân bảo vệ và

những đăc điêm cua nó (kích thước, vị trí, các biện pháp bảo vệ chông sét hiện có,…),

xac định tất cả những dạng tôn thất trong công trình và những rui ro tương ưng liên quan

(từ R1 đến R4), d9anh gia rui ro cho môi dạng tôn thất từ R1 đến R4, d9anh gia sự cân thiết

bảo vệ bằng cach so sanh cac gia trị rui ro R với gia trị rui ro chấp nhận đươc RT.

b. Nhưng yêu tô cua công trình cân xem xet khi đánh giá rui ro:

Những yếu tô cua công trình cân đươc xem xét bao gồm: Chính công trình đó,

những thiết bị lắp đăt bên trong công trình, những đôi tương, tiện ích khac mà công trình

chưa đựng, con người bên trong công trình hay trong phạm vi 3m xung quanh công trình,

sự ảnh hưởng đến môi trường xung quanh do những thiệt hại cua công trình khi bị sét

đanh có thê gây ra.

c. Giá tri rui ro châp nhân đươc RT:

Cac gia trị rui ro chấp nhận đươc RT đại diện, khi sét đanh gây ra tôn thất về con

người, dịch vụ công cộng hay gia trị di sản văn hóa đươc, Bảng 23 - Phụ lục 1.

Đôi với tôn thất về gia trị kinh tế (L4) cân phải so sanh giữa chi phí đâu tư và lơi

ích cua cac biện phap bảo vệ đê đưa ra gia trị rui ro cho phép.

d. Nhưng quy trinh cụ thê đê đánh giá sư cân thiêt bao vê chông set:

Cho môi dạng rui ro nên xem xét theo những bước: Xac định những rui ro thành

phân RX cấu thành nên rui ro tông, tính toan, xac định cac rui ro thành phân RX, tính toan

rui ro tông R, so sanh rui ro R với gia trị rui ro cho phép đươc RT.

Nếu R ≤ RT, bảo vệ chông sét là không cân thiết.

Nếu R > RT, cac biện phap bảo vệ nên đươc ap dụng đê làm giảm rui ro R ≤ RT.

2.1.1.6. Xác đinh nhưng thanh phân rui ro:

a. Biêu thưc tính toán rui ro:

Môi thành phân rui ro RA, RB, RC, RM, RU, RV, RW và RZ đã nêu trên có thê đươc

xac định theo biêu thưc cơ bản sau:

RX = NX x PX x LX (2.5)

Trong đó: NX là sô sự kiện nguy hiêm do sét gây ra trong năm; PX là xac suất thiệt

hại cua công trình; LX là hậu quả thiệt hại.


b. Nhưng thanh phân rui ro do set đánh trưc tiêp vao công trình (S1):

1. Thanh phân rui ro liên quan đên tôn thương vê con ngươi do điên giât (D1):

RA = ND x PA x LA (2.6)

- Sô lân sét đanh trực tiếp gây ra những sự cô nguy hiêm cho công trình ND có thê

đươc xac định như sau:

ND = NG x AD x CD x 10-6 (lân/km2/năm) (2.7)

Trong đó: NG là mật độ sét (lân/km2/năm); AD là vùng tập trung tương đương cua

công trình (m2); CD là hệ sô vị trí cua công trình, Bảng 1- Phụ lục 1.

- Cho công trình hình khôi chữ nhật với chiều dài L, chiều rộng W và chiều cao H đều

tính bằng mét thì vùng tập trung tương đương cua công trình đươc xac định như sau:

AD = L x W+2I x (3H) x (L+W)+π x (3H)2 (m2) (2.8)

- Gia trị xac suất PA do điện ap tiếp xuc và điện ap bước khi sét đanh vào công trình

gây ra phụ thuộc vào hệ thông bảo vệ chông sét và cac biện phap bảo vệ bô sung đươc

cung cấp:

PA = PTA x PB (2.9)

Trong đó: PTA phụ thuộc vào biện phap bảo vệ bô sung chông điện ap tiếp xuc và

điện ap bước, Bảng 2 - Phụ lục 1; PB phụ thuộc mưc độ cua hệ thông bảo vệ chông sét

LPL, Bảng 3 - Phụ lục 1.

2. Thanh phân rui ro liên quan đên thiêt hai vât chât (D2):

RB = ND x PB x LB (2.10)

3. Thanh phân rui ro liên quan đên sư cô nhưng hê thông bên trong công trình (D3):

RC = ND x PC x LC (3.11)

- Xac suất thiệt hại PC do sét đanh vào công trình sẽ gây ra sự cô cho những hệ

thông bên trong đươc xac định như sau:

PC = PSPD x CLD (2.12)

Trong đó: PSPD phụ thuộc vào sự phôi hơp cac thiết bị bảo vệ xung (SPD) và mưc

độ cua hệ thông bảo vệ chông sét LPL, Bảng 4 - Phụ lục 1; CLD là hệ sô phụ thuộc vào

biện phap bảo vệ, nôi đất và điều kiện cach ly cua đường dây kết nôi đến hệ thông bên

trong, Bảng 5- Phụ lục 1.

c. Nhưng thanh phân rui ro do set đánh gân công trình (S2):

Thành phân rui ro liên quan đến sự cô những hệ thông bên trong công trình (D3):

RM = NM PM x LM (2.13)

- NM có thê đươc xac định như sau:

NM = NG x AM x10-6 (lân/km2/năm) (2.14)

Trong đó: NG là mật độ sét (lân/km2/năm); AM là vùng tập trung tương đương sét

đanh gân công trình (m2), đươc tính trong phạm vi 500m từ chu vi công trình. AM đươc

tính theo công thưc:

AM = 2 x 500 x (L+W) x π x 5002 (m2) (2.15)

- Xac suất PM đươc xac định bởi:

PM = PSPD x PMS (2.16)

Đôi với những thiết bị không có khả năng hạn chế hay điện ap chịu xung không đươc

xem xét thì giả sử PM = 1.

Gia trị PMS đươc tính theo biêu thưc sau:

PMS = (KS1 x KS2 x KS3 x KS4)2 (2.17)

Trong đó: KS1 xét đến hiệu quả che chắn cho công trình cua hệ thông bảo vệ chông

sét hoăc cac biện phap bảo vệ tại biên cua vùng bảo vệ chông sét 0/1; KS2 xét đến hiệu

quả che chắn cho công trình cua hệ thông bảo vệ chông sét hoăc cac biện phap bảo vệ tại

biên cua vùng bảo vệ chông sét X/Y (X>0, Y>1); KS3 xét đến đăc tính quyết định bởi

cach đi dây bên trong; KS4 xét đến điện ap chịu xung cua thiết bị bảo vệ.


d. Nhưng thanh phân rui ro do set đánh trưc tiêp vao nhưng đương dây dich vụ kêt nôi

vơi công trình (S3):

1- Thanh phân rui ro liên quan đên tôn thương vê con ngươi do điên giât (D1):

RU = NL x PU x LU (3.18)

Cho môi đường dây, gia trị NL đươc tính như sau:

NL = NG x AL x Cl x CE x CT x 10-6 (lân/km2/năm) (2.19)

Trong đó: NG là mật độ sét (lân/km2/năm); AL là vùng tập trung tương đương do

sét đanh trực tiếp vào đường dây (m2); Cl là hệ sô lắp đăt đường dây, Bảng 6 - Phụ lục 1;

CT là hệ sô về loại đường dây, Bảng 7 - Phụ lục 1; CE là hệ sô môi trường xung quanh,

Bảng 8 - Phụ lục 1.

- Vùng tập trung tương đương AL cua đường dây:

AL = 40 x LL (m2) (2.20)

Trong đó: LL là chiều dài cua đường dây tính từ nut sau cùng.

- Gia trị xac suất PU cho ảnh hưởng đến sự sông bên trong công trình do sét đanh

vào đường dây lan truyền vào bên trong công trình phụ thuộc vào đăc điêm hay những

biện phap bảo vệ cua đường dây, gia trị điện ap chịu xung cua thiết bị bên trong mà

đường dây kết nôi vào.

Gia trị PU đươc tính theo biêu thưc sau:

PU = PTU x PEB x PLD x CLD (2.21)

Trong đó: PTU phụ thuộc vào những biện phap bảo vệ chông lại điện ap tiếp xuc

như những thiết bị bảo vệ hay những cảnh bao nguy hiêm,…Bảng 9, Phụ lục 1; PEB phụ

thuộc vào những liên kết đăng thế và cấp độ bảo vệ chông sét cùng với những SPD đươc

thiết kế, Bảng 10 - Phụ lục 1; PLD là xac suất xảy ra sự cô hệ thông bên trong do sét đanh

vào đường dây và phụ thuộc vào đăc điêm đường dây Bảng 11 - Phụ lục 1; CLD là hệ sô

phụ thuộc vào biện phap bảo vệ đường dây, nôi đất và điều kiện cach ly cua đường dây,

Bảng 5 - Phụ lục 1.

2- Thanh phân rui ro liên quan đên thiêt hai vât chât (D2):

RV = NL x PV x LV (2.22)

Gia trị xac suất PV do sét đanh vào đường dây dịch vụ đi vào công trình gây thiệt

hại vật chất và nó phụ thuộc vào đăc điêm bảo vệ đường dây, điện ap chịu xung cua hệ

thông bên trong kết nôi với đường dây, điều kiện cach ly, có hay không lắp đăt những

SPD.

Gia trị PV đươc tính theo biêu thưc sau:

PV = PEB x PLD x CLD (2.23)

Với gia trị PEB Bảng 10 - Phụ lục 1, PLD Bảng 11- Phụ lục 1; CLD Bảng 5- Phụ lục

1.

3- Thanh phân rui ro liên quan đên sư cô nhưng hê thông bên trong công trình (D3):

RW = NL x PW x LW (2.24)

Gia trị xac suất PW do sét đanh vào đường dây dịch vụ đi vào công trình gây ra sự

cô cho những hệ thông bên trong phụ thuộc vào đăc điêm bảo vệ đường dây, điện ap chịu

xung cua hệ thông bên trong, điều kiện cach ly, sự phôi hơp lắp đăt các SPD.

Gia trị PW đươc tính theo biêu thưc sau:

PW = PSPD x PLD x CLD (2.25)

Với gia trị PSPD Bảng 4 - Phụ lục 1, PLD Bảng 11 - Phụ lục 1; CLD Bảng 5 -Phụ lục

1.

e. Nhưng thanh phân rui ro do set đánh gân nhưng đương dây dich vụ kêt nôi đên công

trình (S4):

Thành phân rui ro liên quan đến sự cô những hệ thông bên trong công trình (D3):

RZ = Nl x PZ x LZ (2.26)


Cho môi đường dây, gia trị Nl đươc tính như sau:

Nl = NG x Al x Cl x CT x CE x 10-6 (lân/km2/năm) (2.27)

Trong đó: NG là mật độ sét (lân/km2/năm); Al là vùng tập trung tương đương cho

đường dây khi sét đanh xuông đất gân đường dây (m2); Cl là hệ sô lắp đăt đường dây,

Bảng 6 - Phụ lục 1; CT là hệ sô về loại đường dây, Bảng 7 - Phụ lục 1; CE là hệ sô môi

trường xung quanh, Bảng 8 - Phụ lục 1.

Vùng tập trung tương đương Al khi sét đanh gân đường dây đươc tính như sau:

Al = 4.000 x LL (m2) (2.28)

Trong đó: LL là chiều dài cua đường dây tính từ nut sau cùng.

Xac suất PZ do sét đanh gân những đường dây dịch vụ đi vào công trình gây ra sự

cô cho những hệ thông bên trong phụ thuộc vào đăc điêm bảo vệ đường dây, điện ap chịu

xung cua hệ thông bên trong, điều kiện cach ly, sự phôi hơp bảo vệ hệ thông SPD đươc

cung cấp.

Gia trị PZ đươc tính theo biêu thưc sau:

PZ = PSPD x PLI x CLI (2.29)

Trong đó: PSPD Bảng 4 - Phụ lục 1; CLI Bảng 5 - Phụ lục 1; gia trị xac suất PLI do

sét đanh gân những đường dây dịch vụ đi vào công trình gây ra những sự cô bên trong

phụ thuộc vào đăc điêm cua đường dây và thiết bị, Bảng 12 - Phụ lục 1.

f. Tông hơp nhưng thanh phân rui ro:

Những thành phân rui ro cho công trình đươc tông hơp, Bảng 24 - Phụ lục 1 theo

những dạng thiệt hại và những nguồn thiệt hại khac nhau.

2.1.2. Đánh giá rủi ro thiệt hại do sét theo tiêu chuân AS/NZS 1768

2.1.2.1. Pham vi

Đanh gia rui ro theo tiêu chuẩn AS/NZS 1768 [3] có thê áp dụng đê quản lí rui ro

gây ra do phóng điện sét. Mục đích cua nội dung đanh gia rui ro trong tiêu chuẩn là cung

cấp biện phap đê đanh gia rui ro cho công trình, con người, các thiết bị bên trong hay

những dịch vụ kết nôi với công trình. Đanh gia rui ro có xem xét đến những thiệt hại về

vật chất cua công trình và những đôi tương khác bên trong công trình, những thiệt hại và

những sự cô trong các thiết bị, những nguy hiêm tiềm tàng khác từ điện áp tiếp xúc và

điện ap bước có thê gây tôn thương đôi với con người và những thiệt hai do cháy nô do

phóng điện sét gây ra.

Phương phap đanh gia rui ro liên quan đến sự so sánh giá trị rui ro tính toan đươc

với gia trị rui ro cho phép. Từ đó, lựa chon các biện pháp bảo vệ đê giảm thiêu rui ro đến

giới hạn rui ro cho phép.

2.1.2.2. Các dang rui ro do sét

Các loại rui ro do sét gây ra cho một công trình bao gồm: R1 là rui ro thiệt hại về

cuộc sông con người; R2 là rui ro thiệt hại về dịch vụ công cộng; R3 là rui ro thiệt hại về

di sản văn hóa; R4 là rui ro thiệt hại về giá trị kinh tế.

2.1.2.3. Giá tri rui ro châp nhân đươc

Đôi với môi loại rui ro thiệt hại do sét đanh gây ra, một giá trị rui ro chấp nhận

đươc Ra cân phải đươc xac định cho môi loại thiệt hại. Gia trị những rui ro cho phép chấp

nhận đươc tiêu biêu Ra, Bảng 29 - Phụ lục 1.

Đôi với những thiệt hại về giá trị kinh tế, rui ro cho phép chấp nhận đươc, Ra có

thê đươc xac định bởi chu sở hữu hoăc người sử dụng công trình, và thường xuyên tham

khảo ý kiến cua cac nhà thiết kế đề xuất biện pháp bảo vệ chông sét, dựa trên cân nhắc về

chi phí kinh tế và hiệu quả bảo vệ.

2.1.2.4. Thiêt hai do sét

a. Nguyên nhân thiêt hai:


Những nguyên nhân thiệt hại liên quan đến vị trí sét đanh bao gồm: C1 sét đanh

trực tiếp vào công trình; C2 sét đanh xuông đất gân công trình; C3 là sét đanh trực tiếp

vào cac đường dây dịch vụ kết nôi đến công trình; C4 sét đanh gân cac đường dây dịch

vụ kết nôi đến công trình.

b. Dang thiêt hai:

Trong thực tế đê đanh gia rui ro, cân phân biệt giữa ba loại thiệt hại cơ bản: D1 là

thiệt hại liên quan đến tôn thương cho con người do điện áp tiếp xuc, điện ap bước hay

phóng điện từ cac tia sét; D2 là thiệt hại do chay, nô, phá huy cơ hoc, sự phát thải các

chất hóa hoc hay các loại khí do hiệu ưng vật lý từ cac kênh sét; D3 là thiệt hại do những

sự cô trong hệ thông điện, điện tử do quá áp sét gây ra.

c. Hâu qua thiêt hai:

Hậu quả sau thiệt hại do sét đươc xem xét đến các tôn thất: L1 là tôn thất đời sông

con người; L2 là tôn thất trong cac dịch vụ công cộng; L3 là tôn thất trong các di sản văn

hóa; L4 là tôn thất về giá trị kinh tế (công trình hay các hoạt động bên trong).

3.1.2.5. Rui ro do sét

a. Nhưng thành phân rui ro:

Rui ro tông R cấu thành từ tông các thành phân rui ro có thê gây ra thiệt hại bao

gồm:

C1 - Set đánh trưc tiêp vào công trình có thê tao ra:

Thành phân rui ro Rh do điện áp tiếp xuc và điện ap bước bên ngoài công trình,

gây ra điện giật ảnh hưởng đến sự sông (D1).

Thành phân rui ro Rs do những ảnh hưởng cơ hoc hay nhiệt do dòng sét tạo ra hay

những nguy hiêm bởi sự phóng điện sét gây ra cháy, nô hay những ảnh hưởng cơ, hóa

xảy ra bên trong công trình (D2).

Thành phân rui ro Rw do quá áp cho các thiết bị lắp đăt bên trong hay những

đường dây dịch vụ kết nôi công trình gây ra lôi trong các hệ thông điện, điện tử (D3).

C2 - Set đánh xuông đât gân công trình có thê tao ra:

Thành phân rui ro Rm do quá áp cua các hệ thông bên trong và các thiết bị (cảm

ưng do trường điện từ kết hơp với dòng sét) gây ra những sự cô trong hệ thông điện, điện

tử (D3).

C3 - Set đánh trưc tiêp vào nhưng đương dây dich vụ có thê tao ra:

Thành phân rui ro Rg do điện ap tiếp xúc truyền qua cac đường dây dịch vụ gây ra

điện giật ảnh hưởng đến sự sông con người bên trong công trình (D1).

Thành phân rui ro Rc do ảnh hưởng cơ hoc hay nhiệt bao gồm những nguy hiêm

do phóng điện giữa các thiết bị hay cac bộ phận lắp đăt bên trong công trình và những

thành phân bằng kim loại (tạo ra ở những điêm ngõ vào cua những đường dây đi vào

công trình) gây ra cháy, nô, những ảnh hưởng cơ, hóa bên trong công trình (D2).

Thành phân rui ro Re do quá áp truyền qua đường dây dịch vụ đi vào công trình,

gây ra lôi cho hệ thông điện, điện tử bên trong (D3).

C4 - Set đánh xuông đât gân các đương dây dẫn đi vao công trình có thê tao ra:

Thành phân rui ro R1 do quá áp cảm ưng truyền qua đường dây dịch vụ đi vào

công trình, gây ra lôi cho hệ thông điện, điện tử bên trong (D3).

Ứng với môi loại thiệt hại, giá trị rui ro tông R do sét gây ra có thê đươc trình bày

cụ thê như sau:

- Liên quan đến sét đanh:

R = Rd + Ri (2.34)

Với:

Rui ro do sét đanh trực tiếp vào công trình: Rd = Rh + Rs + Rw (2.35)


Rui ro do sét đanh gian tiếp vào công trình (bao gồm sét đanh trực tiếp và gián tiếp

vào những đường dây dịch vụ đi vào): Ri = Rg + Rc + Rm + Re + Rl

(2.36)

- Liên quan đến thiệt hại:

R = Rt + Rf +Ro

(2.37)

Với:

Rui ro do điện giật ảnh hưởng đến sự sông (D1): Rt = Rh + Rg (2.38)

Rui ro do cháy, nô, phá huy cơ hoc, phát thải hóa hoc (D2):

Rf = Rs + Rc (2.39)

Rui ro do sự cô cua hệ thông điện, điện tử bên trong gây ra bởi quá áp sét (D3):

Ro = Rw + Rm + Re + Rl (2.40)

b. Biêu thưc tính toán rui ro:

Môi thành phân rui ro Rx phụ thuộc vào sô lương xuất hiện nguy hiêm Nx, xác xuất

thiệt hại Px và hệ sô thiệt hại δx. Giá trị môi thành phân rui ro Rx có thê đươc tính bởi

công thưc tông quat như sau:

Rx = Nx x Px x δx (2.41)

Hệ sô thiệt hại δx có xét đến dạng thiệt hại, phạm vi cac loại thiệt hại, hậu quả cua

các ảnh hưởng có thê xảy ra như là hậu quả cua sét đanh. Những hệ sô thiệt hại liên quan

đến chưc năng hay công dụng cua công trình và có thê đươc xac định từ những môi quan

hệ tương đương sau:

c. Nhưng thanh phân rui ro do set đánh trưc tiêp vao công trình (C1):

1- Thành phân rui ro Rh

Thành phân rui ro Rh do điện áp tiếp xuc và điện áp bước bên ngoài công trình,

gây ra điện giật ảnh hưởng đến sự sông (D1):

Rh = Nd x *Ph x δh (2.46)

- Sô lân sét đanh trực tiếp gây ra những sự cô nguy hiêm cho công trình Nd có thê


Nd = NG x Ad x CD x10-6 (lân/km2/năm) (2.47)

- Vùng tập trung tương đương sét đanh trực tiếp vào công trình Ad:

Ad = L x W + 6 x H x (L + W) + 9 x π x H2 (m2) (2.48)

- Gia trị xac suất *Ph do điện ap tiếp xuc và điện ap bước có thê gây ra điện giật cho

con người ở bên ngoài công trình: *Ph= k1 x Ph x Ps (2.49)

Trong đó: NG là mật độ sét khu vực (lân/km2/năm); Ad là vùng tập trung tương

đương cua công trình (m2); CD là hệ sô môi trường xét đến những đôi tương xung quanh

công trình; k1=1- E , E là hiệu quả cua hệ thông bảo vệ chông sét trong công trình, Bảng

1- Phụ lục 2; Ph là xac suất sét gây ra điện ap tiếp xuc hay điện ap bước nguy hiêm bên

ngoài công trình (Ph=0,01); Ps là xac suất gây ra phóng điện nguy hiêm phụ thuộc dạng

cấu trúc vật liệu công trình, Bảng 2 - Phụ lục 2.

2- Thành phân rui ro Rs

Thành phân rui ro Rs do những ảnh hưởng cơ hoc hoăc nhiệt độ dòng sét tạo ra

hoăc những nguy hiêm bởi sự phóng điện sét gây ra cháy, nô hay những ảnh hưởng cơ,

hóa xảy ra bên trong công trình (D2):

Rs = Nd x Ps x δf x kh (2.50)

- Gia trị xac suất Ps đươc tính như sau:

Ps = kf x pf x (k1 x ps + Pewd) (2.51)

Xac suất dây dân bên ngoài mang xung sét gây ra thiệt hại về vật chất:

Pewd = k5 x Petc (2.52)

Tông xac suất dây dân bên ngoài mang xung sét gây ra thiệt hại về vật chất (nếu

Petc > 1, thì chon gia trị Petc = 1):


Petc = Pe0 +noh x Pe1 + nug x Pe2 (2.53)

Trong đó: Nd là sô lân trung bình sét đanh trực tiếp gây ra những sự cô nguy hiêm

cho công trình; δf là hệ sô thiệt hại do chay; kh là hệ sô thiệt hại gia tăng do chay nô và

qua ap; kf là hệ sô suy giảm cho biện phap bảo vệ phong chay chữa chay; ps là xac suất

gây ra phóng điện nguy hiêm phụ thuộc dạng vật liệu công trình; pf là xac suất sét gây ra

phóng điện nguy hiêm dân đến chay nô; k5 là hệ sô suy giảm cho thiết bị bảo vệ xung ở

đâu vào những đường dây dịch vụ (Bảng 5, Phụ lục 2); Pe0 là xac suất gây ra phóng điện

nguy hiêm phụ thuộc biện phap bảo vệ bên ngoài đường dây cấp nguồn; Pe1 là xac suất

gây ra phóng điện nguy hiêm phụ thuộc biện phap bảo vệ bên ngoài đường dây trên

không kết nôi công trình; Pe2 là xac suất gây ra phóng điện nguy hiêm phụ thuộc biện

phap bảo vệ bên ngoài đường dây ngâm kết nôi công trình.

3-Thành phân rui ro Rw

Thành phân rui ro Rw do quá áp cho các thiết bị lắp đăt bên trong hay những

đường dây dịch vụ kết nôi công trình gây ra lôi trong hệ thông điện, điện tử (D3):

Rw = Nd x Pw x δo x kh (2.54)

Trong đó: Nd là sô lân trung bình sét đanh trực tiếp gây ra những sự cô nguy hiêm

cho công trình; δo là hệ sô thiệt hại do qua ap; kh là hệ sô gia tăng thiệt hại ap dụng do

chay nô và qua ap.

Pw = 1 – (1- k1 x Ps x Pi x k2 x k3 x k4 x kw) x (1 - Pwedo) (2.55)

Trong đó: Pi là xac suất phóng điện nguy hiêm phụ thuộc dạng bảo vệ đường dây

bên trong, Bảng 3, Phụ lục 2; k2 là hệ sô suy giảm phụ thuộc biện phap cach ly cac thiết

bị bên trong (k2=1); k3 là hệ sô suy giảm khi có lắp đăt cac thiết bị bảo vệ xung ở ngo vào

cac thiết bị đươc cho trong Bảng 4, Phụ lục 2; k4 là hệ sô suy giảm cho sự cach ly thiết bị

ở đâu vào những đường dây dịch vụ (k4=1); kw là hệ sô hiệu chỉnh liên quan đến điện ap

chịu xung cua thiết bị (kw=1).

Xac suất dây dân bên ngoài mang xung sét gây ra qua ap dân đến thiệt hại cac thiết

bị bên trong:

Pwedo = kw x k2 x k3 x k4 x k5 x Petc (2.56)

Với Petc là tông xac suất dây dân bên ngoài mang xung sét gây ra thiệt hại về vật

chất.

d. Thanh phân rui ro do set đánh gân công trình (C2):

Thành phân rui ro Rm do quá áp cua các hệ thông bên trong và các thiết bị cảm

ưng do trường điện từ kết hơp với dòng sét gây ra những sự cô thiết bị điện, điện tử trong

hệ thông (D3)

Rm = Nm x Pm x δo x kh (2.57)

- Sô lân trung bình sét đanh gân công trình gây ra những sự cô nguy hiêm cho công

trình Nm có thê đươc xac định như sau:

Nm = NG x Am x 10-6 (lân/km2/năm) (2.58)

- Vùng tập trung tương đương bị ảnh hưởng bởi qua ap khi sét đanh gân công trình:

Am = L x W + 2 x 250 x (L + W) + π x 2502 (m2) (2.59)

- Gia trị xac suất Pm đươc tính như sau:

Pm = k1 x k2 x k3 x kw x Ps x Pi (2.60)

Trong đó: NG là mật độ sét khu vực (lân/km2/năm); δo là hệ sô thiệt hại do qua ap;

kh là hệ sô gia tăng thiệt hại do chay nô và qua ap; k5 là hệ sô suy giảm cho thiết bị bảo vệ

xung ở đâu vào những đường dây dịch vụ.

e. Thanh phân rui ro do set đánh trưc tiêp vao nhưng đương dây dich vụ kêt nôi đên công

trình (C3):

1- Thành phân rui ro Rg


Thành phân rui ro Rg do điện ap tiếp xúc truyền qua cac đường dây dịch vụ gây ra

điện giật ảnh hưởng đến sự sông con người bên trong công trình (D1).

Rg = Pg x ( Nc1p x Pc1p + Nc1 x Pc1 + Nc2p x Pc2p + Nc2 x Pc2) x δg (2.61)

- Sô lân trung bình sét đanh trực tiếp vào đường dây điện trên không Nc1p đươc xac

định như sau:

Nc1p = NG x Ac1 x Ct0 x Cs (lân/km2/năm) (2.62)

- Sô lân trung bình sét đanh trực tiếp vào đường dây dịch vụ trên không khac Nc1


Nc1 = NG x Ac1 x Ct1 x Cs (lân/km2/năm) (2.63)

- Vùng tập trung tương đương cho đường dây trên không Ac1:

Ac1 = 2 x Dc1 x Lc1 (m2) (2.64)

Dc1 = 3 x Hc1 (m) (2.65)

- Sô lân trung bình sét đanh trực tiếp vào đường dây điện đi ngâm Nc2p đươc xac định

như sau:

Nc2p = NG x Ac2 x Ct0 x Cs (lân/km2/năm) (2.66)

- Sô lân trung bình sét đanh trực tiếp vào những đường dây dịch vụ đi ngâm khac Nc2


Nc2 = NG x Ac2 x Ct0 x Cs (lân/km2/năm) (2.67)

- Vùng tập trung tương đương cho đường dây dịch vụ đi ngâm khac Ac2:

Ac2 = 2 x Dc2 x Lc2 (m2) (2.68)

2 20,2.cD (m)

(2.69)

- Xac suất sét đanh trực tiếp vào đường dây điện trên không:

Pc1p = nohp x k5 x Peo (2.70)

- Xac suất sét đanh trực tiếp vào đường dây dịch vụ trên không:

Pc1 = noh x k5 x Pe1 (2.71)

- Xac suất sét đanh trực tiếp vào đường dây điện đi ngâm:

Pc2p = nugp x k5 x Peo (2.72)

- Xac suất sét đanh trực tiếp vào đường dây dịch vụ đi ngâm:

Pc2 = nug x k5 x Pe2 (2.73)

Trong đó: NG là mật độ sét khu vực (lân/km2/năm); Ct0 là hệ sô hiệu chỉnh khi có

sử dụng may biến ap đôi với cap nguồn; Ct1 là hệ sô hiệu chỉnh khi có sử dụng may biến

ap đôi với những đường dây trên không khac; Cs là hệ sô mật độ dây dân; Lc1 là chiều dài

đường dây dịch vụ trên không (m); Lc2 là chiều dài đường dây dịch vụ đi ngâm (m); 2 là

điện trở suất đất khu vực (Ωm); Hc1 là độ cao đường dây dịch vụ trên không (m); nugp là

sô lương đường dây điện đi ngâm kết nôi đến công trình; noh là sô lương đường dây trên

không khac kết nôi đến công trình; Pg là xac suất sét gây ra điện ap tiếp xuc hay điện ap

bước nguy hiêm bên trong công trình; δg là hệ sô thiệt hại do điện ap tiếp xuc và điện ap

bước bên trong công trình.

2- Thành phân rui ro Rc

Thành phân rui ro Rc do những ảnh hưởng cơ hoc hay nhiệt bao gồm những nguy

hiêm do phóng điện giữa những thiết bị hay cac bộ phận lắp đăt bên trong công trình và

những thành phân bằng kim loại (tạo ra ở những điêm ngõ vào cua những đường dây đi

vào công trình) gây ra cháy, nô, những ảnh hưởng cơ, hóa bên trong công trình (D2).

Rc1 = kf x pf x (Nc1p x Pc1p + Nc1 x Pc1 + Nc2p x Pc2p + Nc2 x Pc2) x δo x kh (2.74)

3- Thành phân rui ro Re

Thành phân rui ro Re do quá áp truyền qua đường dây dịch vụ đi vào công trình,

gây ra lôi cho hệ các hệ thông điện, điện tử bên trong (D3).

Re1 = kw x k2 x k3 x k4 x ( Nc1p x Pc1p + Nc1 x Pc1 + Nc2p x Pc2p + Nc2 x Pc2) x δo x kh (2.75)


f. Thanh phân rui ro do set đánh gân nhưng đương dây dich vụ kêt nôi đên công trình

(C4):

Thành phân rui ro Rl do quá áp cảm ưng truyền qua đường dây dịch vụ đi vào công

trình, gây ra lôi cho hệ thông điện, điện tử bên trong (D3):

Rl = ( Nl1p x Pi1p + Nl1 x Pi1 + Nl2p x Pi2p + Nl2 x Pi2) x δo x kh (2.76)

Trong đó:

- Sô lân trung bình sét đanh gân đường dây điện trên không có thê gây ra những qua

ap cảm ưng nguy hiêm:

Nl1p = NG x Al1 x Ct0 x Cs (lân/km2/năm) (2.77)

- Sô lân trung bình sét đanh gân đường dây dịch vụ trên không có thê gây ra những

qua ap cảm ưng nguy hiêm:

Nl1 = NG x Al1 x Ct1 x Cs (lân/km2/năm) (2.78)

- Sô lân trung bình sét đanh gân đường dây điện đi ngâm có thê gây ra những qua ap

cảm ưng nguy hiêm:

Nl2p = NG x Ac2 x Ct0 x Cs (lân/km2/năm) (2.79)

- Sô lân trung bình sét đanh gân đường dây dịch vụ đi ngâm có thê gây ra những qua


Nl2 = NG x Al2 x Ct2 x Cs (lân/km2/năm) (2.80)

- Vùng tập trung tương đương do sét đanh gân những đường dây trên không có thê

gây ra những qua ap nguy hiêm:

Al1 = 2 x Dl1 x L1 (m2) (2.81)

Dl1 = 500 x 1 (m)

(2.82)

- Vùng tập trung tương đương do sét đanh gân những đường dây đi ngâm có thê gây

ra những qua ap nguy hiêm:

Al2 = 2 x Dl2 x L2 (m2) (2.83)

Dl2 = 250 x 2

(m)

(2.84)

- Xac suất sét đanh gân những đường dây điện trên không có thê gây ra những qua ap


Pi1p = nohp x kw x k2 x k3 x k4 x k5 x pe0 (2.85)

- Xac suất sét đanh gân những đường dây dịch vụ trên không có thê gây ra những qua


Pi1 = nohp x kw x k2 x k3 x k4 x k5 x pe1 (2.86)

- Xac suất sét đanh gân những đường dây điện đi ngâm có thê gây ra những qua ap


Pi2p = nugp x kw x k2 x k3 x k4 x k5 x pe0 (2.87)

- Xac suất sét đanh gân những đường dây dịch vụ đi ngâm có thê gây ra những qua


Pi2 = nug x kw x k2 x k3 x k4 x k5 x pe2 (2.88)

2.1.2.6. Phương pháp đánh giá, quan lí rui ro

a. Phương pháp đánh giá rui ro:

1- Xác đinh công trình hay tiên ích cân đươc bao vê.

2- Xác đinh tât ca các yêu tô vât chât khác có liên quan, các hê sô vê môi trương và các

hê sô lắp đặt dich vụ áp dụng cho công trình.

3- Xác đinh tât ca các loai thiêt hai liên quan đên công trình.

4- Cho mỗi thiêt hai liên quan đên công trình, xác đinh nhưng hê sô thiêt hai δx liên quan

và nhưng hê sô nguy hiêm đặc biêt.

5- Cho mỗi thiêt hai liên quan đên công trình, xác đinh rui ro lơn nhât cho phép Ra.

6- Cho mỗi thiêt hai liên quan đên công trình, tính toán rui ro do sét:

i. Xac định các thành phân cấu thành rui ro Rx.


ii. Tính toan xac định những thành phân rui ro Rx.

iii. Tính toán rui ro tông R do sét gây ra.

7- So sánh giá tri rui ro tông R vơi giá tri rui ro cho phép Ra ưng vơi mỗi loai thiêt hai

liên quan đên công trình.

Nếu R Ra (cho môi thiệt hại liên quan đến công trình) không cân đề xuất bảo vệ

chông sét.

Nếu R Ra (cho bất kì loại thiệt hại liên quan đến công trình) cân phải xem xét đề

xuất giải pháp trang bị các biện pháp bảo vệ chông sét.

b. Bao vê chông set đánh trưc tiêp nêu Rd > Ra:

Khi rui ro do sét đanh trực tiếp cao hơn gia trị rui ro cho phép (Rd > Ra), công

trình nên áp dụng các biện pháp bảo vệ chông sét đanh trực tiếp, với một hệ thông bảo vệ

chông sét (LPS) đươc thiết kế và lắp đăt thích hơp.

Đê xac định mưc độ bảo vệ cân thiết, tính toán cuôi cùng cho bảo vệ công trình có

thê đươc lăp đi lăp lại liên tục cho các mưc độ bảo vệ cấp IV, III, II, I cho đến khi thỏa

điều kiện Rd < Ra. Nếu một LPS có mưc độ bảo vệ cấp I không thê đap ưng điều kiện

này, cân xem xét tăng cường các thiết bị bảo vệ xung trên tất cả cac cac đường dây dịch

vụ (ví dụ như đường dây điện, viễn thông, cap đồng trục) tại điêm đâu vào công trình

hoăc các biện pháp bảo vệ cụ thê khác theo giá trị cua các thành phân rui ro. Có thê bao

gồm cac biện phap như sau:

1- Các biên pháp han chê điên áp tiêp xúc va điên áp bươc;

2- Các biên pháp han chê sư cháy lan;

3- Các biên pháp giam thiêu anh hưởng cua quá áp cam ưng (ví dụ: lắp đặt, phôi

hơp các thiêt bi bao vê xung, sử dụng máy biên áp cách ly);

4- Các biên pháp giam tỷ lê các sư cô phóng điên nguy hiêm.

c. Bao vê chông set đánh gián tiêp nêu Rd ≤ Ri nhưng Ri > Ra:

Khi Rd ≤ Ri thì công trình đươc bảo vệ chông sét đanh trực tiếp. Tuy nhiên, rui ro

do sét đanh gian tiếp lớn hơn rui ro cho phép (Ri > Ra) thì công trình cân đươc bảo vệ

chông lại những ảnh hưởng do sét đanh gian tiếp.

Các biện pháp bảo vệ có thê bao gồm:

1- Áp dụng các biên pháp bao vê xung hơp lí trên tât ca các đương dây dich vụ (cáp điên,

viễn thông, cáp đồng trục) ở các ngõ vào công trình (bao vê xung sơ câp ở ngõ vào).

2- Áp dụng các biên pháp bao vê xung hơp lí trên tât ca các ngõ vào thiêt bi (bao vê xung

thư câp ở thiêt bi).

d. Kiêm tra cuôi cùng nêu Rd + Ri >Ra:

Khi Rd ≤ Ra và Ri ≤ Ra vân còn có khả năng rui ro tông R = Rd + Ri > Ra.

Trong trường hơp này, công trình không đoi hỏi bất kỳ sự bảo vệ cụ thê chông sét

đanh trực tiếp hoăc chông qua ap do sét đanh gân đó hay sét lan truyền qua cac đường

dây dịch vụ đi vào.

Tuy nhiên, do R > Ra, các biện pháp bảo vệ cân đươc xem xét giảm thiêu một hoăc

nhiều hơn cac thành phân rui ro đê giảm rui ro tông R ≤ Ra. Những thông sô quan trong

cân phải đươc xac định đê xac định đươc các biện pháp hiệu quả nhất nhằm làm giảm rui

ro R.

Cho môi dạng thiệt hại sẽ có các biện pháp bảo vệ riêng lẻ hay kết hơp, đê thỏa

điều kiện R ≤ Ra.

Những biện pháp bảo vệ làm cho R ≤ Ra cho tất cả các loại tôn thất phải đươc xác

định và áp dụng cùng với việc xem xét các vấn đề kỹ thuật và kinh tế liên quan.

2.1.3. Hệ số che chắn và số lần sét đánh vào đường dây trên không theo tiêu chuân

IEEE 1410


Sét có thê gây ra những sự cô ảnh hưởng đang kê đến độ tin cậy cua đường dây

trên không, đăc biệt nếu các cột điện cao hơn những đôi tương xung quanh gân đường

dây. Sô lân sét đanh vào đường dây trên không đươc xac định theo biêu thưc: 0,6

g

28h bN N ( )

10

(lân/km2/năm) (2.89)

Trong đó: N là sô lân sét đanh vào đường dây trên không (lân/km2/năm); Ng là mật độ sét

đanh xuông đất khu vực đường dây đi qua (lân/km2/năm); h là chiều cao cua dây dân trên

đỉnh cột (m); b là khoảng cách giữa hai dây pha ngoài cùng (m).

Khả năng sét đanh vào đường dây phụ thuộc đang kê vào những đôi tương (cây

côi, các công trình xây dựng) nằm doc theo đường dây. Sự ảnh hưởng cua cac đôi tương

ở gân đường dây đến sô lân sét đanh trực tiếp vào đường dây trên không đươc thê hiện

thông qua hệ sô che chắn Sf, hệ sô Sf đươc xác định dựa vào khoảng cách từ đường dây

nguồn ngoài đến đôi tương che chắn dựa vào Hình 2.1. Khi đó, sô lân sét đanh vào đường

dây phân phôi trên không NS (lân/km2/năm) có xét đến hệ sô che chắn đươc trình bày bởi

biêu thưc: 0,6

s f g f g f

28h bN N(1 S ) N ( )(1 S ) N C

10

(2.90)

Với Cf là hệ sô đường dây liên quan đến vật che chắn xung quanh

Cf = (28h-0,6+b).(1-Sf).10-1 (2.91)

Hình 2.1: Hệ sô che chắn bởi những đôi tương gân đường dây trên không [6]

2.2. Phương pháp cải tiên đánh giá rủi ro thiệt hại do sét

2.2.1. Đặt vấn đề cải tiên

Trong cac tiêu chuẩn đanh gia rui ro như đã đề cập ở mục 2.1.1, 2.1.2, 2.1.3, thì môi

tiêu chuẩn về đanh gia rui ro lại có những ưu điêm, cach tiếp cận đanh gia rui ro theo

những hướng khac nhau.

IEC 62305-2 là tiêu chuẩn quôc tế có mưc độ tính toan đanh gia rui ro tông

quat hơn, có thê ap dụng cho nhiều đôi tương công trình khac nhau tại các vùng miền

khác nhau. Tuy nhiên, trong qua trình tính toan đanh gia rui ro tiêu chuẩn IEC 62305-2

[1] có một sô hệ sô trong tiêu chuẩn đươc truy xuất từ các bảng tra, chưa xem xét chi tiết

ở một sô thông sô đâu vào mà tiêu chuẩn khác có xem xét, cụ thê như: Xac suất gây

phóng điện phụ thuộc dạng vật liệu xây dựng [3]; sô lương đường dây dịch vụ kết nôi đến

công trình [3] và hệ sô liên quan đăc tính cua đường dây (chiều cao cột điện lắp đăt

đường dây, khoảng cách giữa 2 dây pha ngoài cùng) có xét đến đôi tương che chắn xung

quanh đường dây [6].

Tiêu chuẩn AS/NZS 1768 [3] đươc xây dựng dựa trên các nguyên tắc về quản

lý rui ro do sét gây ra theo tiêu chuẩn IEC 61662 nhưng đã đươc đơn giản hóa, giảm sô

lương các thông sô đâu vào nên phương phap tính toan đơn giản, vì đây là tiêu chuẩn áp


dụng cho quôc gia. Tuy nhiên, trong tính toán rui ro cua tiêu chuẩn có một sô thành phân

tính toan đươc tính toán chi tiết đôi với các loại công trình xây dựng có xem xét đến các

loại vật liệu xây dựng công trình khác nhau và sô lương đường dây dịch vụ kết nôi công

trình.

Tiêu chuẩn IEEE 1410 [6] là tiêu chuẩn cua hiệp hội các kỹ sư điện điện tử

Hoa Kỳ, khi tính toan đến sô lân sét đanh vào đường dây nguồn thì có xét đến đăc điêm

cua đường dây (chiều cao cột điện lắp đăt đường dây, khoảng cách giữa 2 dây pha ngoài

cùng), đôi tương che chắn xung quanh đường dây.

Với các phân tích nêu trên, nhận thấy phương phap tính toan rui ro thiệt do sét

theo tiêu chuẩn IEC 62305-2 [1] có tính phô biến hơn, mang tâm quôc tế so với hai tiêu

chuẩn còn lại. Chính vì vậy, tiêu chuẩn IEC62305-2 đươc chon là cơ sở đê nghiên cưu đề

xuất phương phap cải tiến tính toan đanh gia rui ro thiệt hại do sét.

2.2.2 Xác định giá trị các hệ số có mức độ tính toán chi tiêt được tham chiêu và đề

xuất từ tiêu chuân AS/NZS 1768 và IEEE 1410.

2.2.2.1. Hê sô xác suât gây phóng điên nguy hiêm phụ thuôc dang vât liêu xây dưng khi

tính xác suât PA cho thành phân rui ro RA

Trong tiêu chuẩn [1], khi tính toan thành phân rui ro liên quan đến tôn thương sinh

vật hoăc sự sông cua con người bởi điện giật do sét đanh vào công trình RA. Giá trị xác

suất nguy hiêm đến sự sông bởi điện ap bước và điện áp tiếp xuc do sét đanh tới công

trình PA chỉ xét đến hai thành phân:

- PTA là xác suất phụ thuộc biện phap bảo vệ bô sung chông điện ap tiếp xuc và điện

ap bước, truy xuất ở Bảng 2 - Phụ lục 1.

- Pb là xác suất khi sét đanh vào công trình gây thiệt hại về vật chất phụ thuộc cấp

độ bảo vệ chông sét, truy xuất ở Bảng 3 - Phụ lục 1. Gia trị xac suất PA đươc tính theo

biêu thưc (2.9).

Trong tiêu chuẩn [3], khi tính toan thành phân rui ro nguy hiêm bởi điện ap bước

và điện áp tiếp xuc đến sinh vật hoăc sự sông cua con người bên ngoài công trình do sét

đanh trực tiếp vào công trình Rh (Rh tương đương với thành phân rui ro RA trong tiêu

chuẩn [1]). Giá trị xác suất nguy hiêm bởi điện ap bước và điện áp tiếp xúc do sét đanh

trực tiếp tới công trình Ph (Ph tương đương với xác suất PA trong tiêu chuẩn [1]) nhưng

xét đến ba thành phân (ngoài 2 thành phân tương đương tính toan PA [1] thì có xét đến

thành phân Ps, cụ thê: - Ph là hệ sô xác suất phụ thuộc biện phap bảo vệ bô sung chông điện ap tiếp xuc và

điện ap bước (Ph = PTA trong tiêu chuẩn [1]);

- k1 là hệ sô phụ thuộc cấp độ bảo vệ hệ thông chông sét khi sét đanh vào công trình

gây thiệt hại về vật chất (hệ sô k1 = PB trong tiêu chuẩn [1]) với k1=1- E và E là hệ sô về

hiệu quả cua hệ thông bảo vệ chông sét trong công trình, gia trị E Bảng 1- Phụ lục 2;

- Ps là hệ sô xac suất gây phóng điện nguy hiêm phụ thuộc dạng vật liệu xây dựng

công trình (gia trị Ps, Bảng 2 - Phụ lục 2. Gia trị xac suất Ph đươc xac định như ở biêu

thưc (2.49)..

Qua nội dung phân tích cụ thê cua tiêu chuẩn [1] và [3], khi sét đanh trực tiếp vào

công trình thì vật liệu xây dựng cua công trình cũng là một trong những yếu tô quan trong

ảnh hưởng trực tiếp đến mưc độ rui ro gây ra tôn thương ảnh hưởng đến sự sông cua con

người bên trong công trình, việc tính toán giá trị xác suất PA cho rui ro thành phân RA

trong tiêu chuẩn [1] thì cân chi tiết hóa thêm hệ sô thành phân xac suất gây phóng điện

nguy hiêm phụ thuộc dạng vật liệu xây dựng công trình Ps đươc tham chiếu từ tiêu chuẩn

[3]. Gia trị xac suất PA đươc xac định theo biêu thưc sau:

PA = PTA x PB x Ps (2.92)


Trong biêu thưc (2.92) giá trị PTA đươc xac định theo Bảng 2, Phụ lục 1, giá trị PB

đươc xac định, Bảng 3 - Phụ lục 1, giá trị Ps đươc xac định, Bảng 2 - Phụ lục 2.

2.2.2.2. Hê sô che chắn khi tinh sô lân set đánh trưc tiêp va gián tiêp vao đương dây dich

vụ kêt nôi đên công trình

Trong tiêu chuẩn [1], khi tính sô lân sét đanh trực tiếp NL như biêu thưc (2.19) và

sô lân sét đanh gian tiếp Nl như biêu thưc (2.27) cho những đường dây dịch vụ trên không

đã đề cập đến hệ sô lắp đăt đường dây Cl, hệ sô dạng đường dây CT và hệ sô môi trường

xung quanh đường dây CE đươc truy xuất từ bảng tra (Bảng 8 - Phụ lục 1) phụ thuộc vào

đường dây đươc lắp đăt ở nông thôn hay ngoại ô, đô thị hay đô thị có công trình xung

quanh cao hơn 20m.

Trong tiêu chuẩn IEEE 1410 [6] khi tính sô lân sét đanh trực tiếp vào đường dây

dịch vụ đươc xac định theo biêu thưc (2.90) có xét đến mật độ sét, cách lắp đăt đường

dây nguồn và các thành phân đôi tương che chắn gân đường dây nguồn. Trong đó, Cf là

hệ sô cách lắp đăt đường dây nguồn và các thành phân đôi tương che chắn gân đường dây

nguồn đươc xac định theo biêu thưc (2.91).

Dựa trên nội dung phân tích giá trị hệ sô CE cua tiêu chuẩn [1] và giá trị hệ sô Cf

cua tiêu chuẩn [6], về ý nghĩa tính toan cua 2 hệ sô này là giông nhau nhưng gia trị Cf

trong tiêu chuẩn [6] tính toán chi tiết và phù hơp với điều kiện thực tế cua đường dây

nguồn hơn so với giá trị CE tra từ bảng tra. Chính vì vậy, đê tính toán sô lân sét đanh trực

tiếp và gian tiếp vào đường dây nguồn phù hơp với điều kiện thực tế tại nơi lắp đăt đường

dây thì hệ sô CE đươc đề xuất bởi hệ sô Cf có mưc độ tính toán chi tiết ở biêu thưc (3.91)

đươc tham chiếu từ tiêu chuẩn [6] đê thay vào biêu thưc (3.19) và (3.27) đê tính:

Sô lân sét đanh trực tiếp vào đường dây dịch vụ trên không đươc xac định bằng

biêu thưc (2.93):

NL = NG x AL x Cl x Cf x CT x 10-6 (lân/km2/năm) (2.93)

Sô lân sét đanh gian tiếp vào đường dây dịch vụ trên không đươc xac định bằng

biêu thưc (2.94):

Nl = NG x Al x Cl x Cf x CT x 10-6 (lân/km2/năm) (2.94)

2.2.2.3. Sô lương đương dây dich vụ khi tinh nhưng hê sô xác suât liên quan đên set đánh

trưc tiêp va gián tiêp vao đương dây dich vụ kêt nôi đên công trình

Trong tiêu chuẩn [1], khi tính toan rui ro liên quan đến tôn thương sinh vật do điện

giật khi sét đanh trực tiếp vào những đường dây dịch vụ kết nôi đến công trình cho thành

phân rui ro RU. Giá trị xác suất sét đanh trực tiếp vào những đường dây dịch vụ gây ra

qua ap lan truyền đi vào công trình gây ra tôn thương đến sự sông con người PU, gia trị

xac suất PU đươc tính theo biêu thưc (2.21).

Khi tính toan rui ro liên quan đến thiệt hại về vật chất khi sét đanh trực tiếp vào

những đường dây dịch vụ kết nôi đến công trình thành phân rui ro RV. Trong tiêu chuẩn

[1], giá trị xác suất sét đanh trực tiếp vào những đường dây dịch vụ gây ra thiệt hại về vật

chất PV, gia trị xac suất PV đươc tính theo biêu thưc (2.23).

Tương tự khi tính rui ro liên quan đến hư hỏng cac hệ thông bên trong khi sét đanh

trực tiếp vào những đường dây dịch vụ kết nôi đến công trình thành phân rui ro RW. Giá

trị xác suất sét đanh trực tiếp vào những đường dây dịch vụ gây ra hư hỏng cac hệ thông

bên trong PW, gia trị xac suất PW đươc tính theo biêu thưc (2.25).

Và khi tính rui ro liên quan đến hư hỏng cac hệ thông bên trong khi sét đanh gân

những đường dây dịch vụ kết nôi đến công trình thành phân rui ro RZ, Giá trị xác suất sét

đanh gân những đường dây dịch vụ gây ra hư hỏng cac hệ thông bên trong PZ , gia trị xac

suất PZ đươc tính theo biêu thưc (2.29).

Trong khi đó, trong tiêu chuẩn [3], khi tính những thành phân rui ro gây ra do sét

đanh trực tiếp hoăc gián tiếp vào những đường dây dịch vụ gây ra qua ap lan truyền trên


những đường dây dịch vụ đi vào công trình: Rui ro thành phân Rg liên quan đến tôn

thương đến sự sông (Rg tương đương thành phân rui ro RU trong tiêu chuẩn [1]); rui ro

thành phân Rc liên quan đến thiệt hại về vật chất (Rc tương đương thành phân rui ro PV

trong tiêu chuẩn [1]); rui ro thành phân Re liên quan đến sự cô những hệ thông bên trong

do sét đanh trực tiếp vào những đường dây dịch vụ (Re tương đương thành phân rui ro RW

trong tiêu chuẩn [1]); rui ro thành phân Rl liên quan đến sự cô những hệ thông bên trong

do sét đanh gian tiếp vào những đường dây dịch vụ (Rl tương đương thành phân rui ro RZ

trong tiêu chuẩn [1]). Những xác suất sét đanh trực tiếp hoăc gián tiếp vào những đường

dây dịch vụ gây ra qua ap lan truyền trên những đường dây dịch vụ đi vào công trình có

xét đến sô lương đường dây dịch vụ trên không noh hay sô lương đường dây dịch vụ đi

ngâm nug kết nôi đến công trình như biêu thưc (2.70), (2.71), (2.72), (2.73).

Do đó, nếu có nhiều đường dây dịch vụ kết nôi đến công trình theo những tuyến

riêng biệt thì xac suất sét đanh trực tiếp hay gian tiếp vào những đường dây dịch vụ sẽ

gây ra qua ap sét lan truyền trên những đường dây dịch vụ đi vào công trình và những rui

ro thiệt hại do sét sẽ khác nhau. Đê tính toan có độ chi tiết hơn theo điều kiện thực tế, các

giá trị tính toán PU, PV, PW và PZ cho các rui ro thành phân trong tiêu chuẩn [1] cân phải

xem xét đến sô lương đường dây dịch vụ kết nôi vào công trình [3] và tính toán đươc đề

xuất như sau:

PU/oh = PTU x PEB x PLD x CLD x noh (2.95)

PV/oh = PEB x PLD x CLD x noh (2.96)

PW/oh = PSPD x PLD x CLD x noh (2.97)

Pz/oh = PSPD x PLI x CLI x noh (2.98)

Biêu thưc tính cac xac suất PU, PV, PW và PZ cho đường dây ngâm như sau:

PU/ug = PTU x PEB x PLD x CLD x nug (2.99)

PV/ug = PEB x PLD x CLD x nug (2.100)

PW/ug = PSPD x PLD x CLD x nug (2.111)

Pz/ug= PSPD x PLI x CLI x nug (2.102)

Các hệ sô PTU, PEB, PLD và CLD đươc xac định như trong tiêu chuẩn [1]; noh là sô

lương đường dây dịch vụ trên không và nug là sô lương đường dây dịch vụ đi ngâm kết

nôi đến công trình xac định trong tiêu chuẩn [3].

2.2.2.4. Bang liêt kê các hê sô cai tiên

Bảng 2.1: Liệt kê cac hệ sô cải tiến


2.2.3. Lưu đô đánh giá rủi ro

Xac định thành phân rui ro liên quan đến công trình

Xac định đăc điêm công trình và thông sô

công trình cân bảo vệ

Cho môi dạng tôn thất xac định gia trị rui ro chấp

nhận đươc RT tương ưng

Tính toan rui ro cho cac thành phân R=RD+RI

R < RT

Lựa chon thiết bị bảo vệ thích hơp đê giảm rui ro

thành phân R

Công trình đươc bảo vệ

SaiSai

ĐungĐung

Hình 2.2: Lưu đồ đanh gia rui ro

2.2.4. Tính toán rủi ro thiệt hại do sét cho công trình mẫu

2.2.4.1. Thông sô cơ ban vê công trình mẫu

Tính toan đanh gia rui ro thiệt hại do sét cho công trình là toa nhà ở khu vực thành

phô Hồ Chí Minh, kích thước 20×15×35m, mật độ sét khu vực là 12(lân/km2/năm), không

có công trình khac lân cận. Đường dây điện cấp nguồn có chiều dài 200m đi trên không, cap

viễn thông có chiều dài 1000m đươc đi ngâm.

Đường dây điện (trên không)

LP = 200m LT = 1000mW = 15m

H = 35m

Đường dây viễn thông (đi ngâm)

Hình 2.3: Công trình cân đanh gia rui ro thiệt hại do sét

2.2.4.2. Kêt qua tinh toán đánh giá rui ro

Cac bước tính toan rui ro thiệt hai do sét cho cấu truc công trình mâu theo tiêu chuẩn [1]

và phương phap cải tiến đanh gia rui ro đươc đề xuất, kết quả tính toán trình bày trong Bảng

2.2


Bảng 2.2: Tông hơp cac kết quả đanh gia rui ro

Dạng rủi ro Tiêu chuân

IEC – 62305 [1]

Phương pháp cải

tiên đề xuất

Sai số giữa 2 tiêu

chuân %

Thiệt hại về con

người R1

3,75.10-5 3,256.10-5 13%

Thiệt hại về gia trị

kinh tế R4

0,255 0,227 11%

2.2.5. Phần mềm đánh giá rủi ro thiệt hại do sét

Chương trình tính toan đanh gia rui ro thiệt hại do sét LIRISAS có giao diện như

Hình 4 đươc xây dựng trên cơ sở ap dụng cac thông sô tôi ưu đanh gia rui ro trên cơ sở tiêu

chuẩn [1] với cac đề xuất cải tiến như trong Bảng 2.1. Chương trình cho phép người sử dụng

nhập vào những thông sô cân thiết liên quan đến công trình, chương trình sẽ tính toan kết

quả những gia trị rui ro thiệt hại do sét gây ra cho công trình.

Hình 2.4: Giao diện chương trình tính toan đanh gia rui ro thiệt hại do sét LIRISAS

2.3. Kêt luận

Trên cơ sở phương phap tính toan đanh gia rui ro thiệt hại do sét theo tiêu chuẩn IEC

62305-2, phương phap cải tiến có mưc độ chi tiết hơn, trong tính toán có xem xét đến yếu tô:

Xác suất gây phóng điện nguy hiêm phụ thuộc vật liệu xây dựng công trình, sô lương đường

dây dịch vụ kết nôi đến công trình, xét đến cách lắp đăt đường dây và đôi tương che chắn

doc đường dây cấp nguồn kết nôi đến công trình. Kết quả tính toan với công trình mâu cho

thấy có sự khác biệt đang kê về giá trị thiệt hại về con người R1 (thấp hơn khoảng 13%), và

giá trị thiệt hại về kinh tế R4 (thấp hơn khoảng 11%).

Chiều dài (m)

Chiều rộng (m) Chiều dài (m) 200 Dạng cấu truc thiệt hại về con người Tất cả

Chiều cao (m) Sô lương đường dây 1 Dạng cấu truc thiệt hại về vật chất Công nghiệp

Mật độ sét khu vực (lân/km2/năm) Cach lắp đăt Trên không Dạng cấu truc thiệt hại hệ thông bên trong Không xem xét

Môi trường xung quanh cấu truc Loại đường dây Hạ thê/viễn thông

Dạng cấu truc thiệt hại về vật chất Không xem xét

Bảo vệ đường dây bên trong cấu truc Không co che chắn

Vật liệu xây dựng cấu truc Dạng cấu truc thiệt hại hệ thông bên trong Không xem xét

Vật liệu sàn

Rui ro chay

Chiều dài (m) 1000 Dạng cấu truc thiệt hại về vật chất Không xem xét

Biện phap bảo vệ phong chay

Sô lương đường dây 1

Xac suất phóng điện sét gây chay

Cach lắp đăt Đi ngầm

Hệ sô suy giảm phong chay Dạng cấu truc thiệt hại về vật nuôi Tất cả

Loại đường dây Hạ thê/viễn thông

Mưc độ hoản sơ khi có sự cô Dạng cấu truc thiệt hại về vật chất Thương mại

Biện phap nôi đất, cach ly theo IEC 62305-4 Không co

Cấp độ bảo vệ chông sét Dạng cấu truc thiệt hại hệ thông bên trong Trường học, thương mại

Bảo vệ đường dây bên trong cấu truc Không co che chắn

Cấp độ SPD đươc thiết kế

SPD ở ngo vào đường dây dịch vụ

SPD ở ngo vào thiết bị

Thiệt hại về dịch vụ Thiệt hại về di sản văn hoa Thiệt hại về giá trị kinh tê

Gia trị rui ro tính toan

Gia trị rui ro chấp nhận đươc

Phương pháp cải tiên theo tiêu chuân IEC-62305

0

15

Không co

Đường dây viễn thông

Đặc điểm của cấu trúc và các biện pháp bảo vệ

Không co

Bêtông cốt thép

Thiệt hại về giá trị kinh tê

Không co

Không co

Mức thấp

Không có

Kích thước cấu trúc và các yêu tố môi trường

Đường dây điện20

35

0.00010.00001 0.001

Các dạng rủi ro

Thiệt hại về con người

Đường dây dịch vụ

0.227689303.25678E-05

12

Cô lập

Không co

Thấp

Không co

Thấp

Gạch ceramic

Thiệt hại về con người

Kêt quả tính toán mức độ rủi ro

Thiệt hại về dịch vụ

Thiệt hại về di sản văn hoa

0.001

CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOAN ĐANH GIA RUI RO THIỆT HẠI DO SET LIRISAS

Biện phap nôi đất, cach ly theo IEC 62305-4


Chương 3

MÔ HÌNH CẢI TIẾN MAY PHAT XUNG SET

VÀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN

TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP

3.1. Mô hình máy phát xung sét


Đến thời điêm hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cưu trong nước và quôc tế về

mô hình may phat xung sét nhưng chỉ tập trung cho từng dạng xung sét riêng lẽ và có sai sô

tương đôi lớn so với cac xung sét tiêu chuẩn. Trong khi đó, việc kiêm tra cac loại thiết bị

chông sét trên đường nguồn hạ ap cân thực hiện với nhiều dạng xung dòng sét khac nhau. Vì

vậy, việc nghiên cưu đề xuất một mô hình may phat xung sét cải tiến tạo ra nhiều dạng xung

dòng sét khac nhau, có độ chính xac cao so với cac xung sét chuẩn nhằm tạo thuận lơi trong

việc sử dụng kiêm tra thiết bị là cân thiết.

3.1.2. Mô hình toán

3.1.2.1. Mô hình hàm toán cua Heidler

Phương trình Heidler đươc sử dụng đê mô tả xung dòng sét [57]:

i(t) = I0

η(t/τ1)10

1+(t/τ1)10 e(−t/τ2) (3.1)

Trong đó: I0 là giá trị dong điện đỉnh (kA); τ1 là hằng sô thời gian tăng cua dong điện

(μs); τ2 là hằng sô thời gian suy giảm cua dong điện (μs); η là hệ sô hiệu chỉnh giá trị cua

dong điện đỉnh.

Các thông sô τ1, τ2 vàη đươc xac định theo thời gian tăng tds và thời gian suy giảm ts

cua dạng xung dong điện sét.

Thời gian tăng và suy giảm cua dạng xung dong điện sét đươc quy định theo tiêu

chuẩn như sau:

tds = 1,25(t2 – t1) (3.2)

ts = t5 – t1+0.1tds (3.3)

3.1.2.2. Xác đinh thông sô cho phương trinh Heidler

Dong điện đươc coi là tích sô cua hai hàm đap ưng về thời gian (hàm thời gian tăng

x(t) và hàm thời gian suy giảm y(t)). Lập hàm cua dong điện như sau [64]:

i(t) = I0.x(t).y(t) (3.4)

trong đó: x(t) = (t/τ1)10

1+(t/τ1)10 y(t) = e(−t/τ2)

Ap dụng phương phap xấp xỉ trong thời gian xung dong điện tăng, gia trị cua hàm

dong điện suy giảm y(t) =1. Tương tự, khi dong điện suy giảm, giá trị cua hàm dong điện

tăng x(t) =1 [64].

Trong qua trình dong điện tăng (giai đoạn đâu sóng), phương trình (3.1) có dạng:

i(t)=I0

η(t/τ1)10

1+(t/τ1)10 e(−t/τ2) (3.5)

Tại thời gian t = t1 gia trị dong điện i(t) = 0,1I0, suy ra:


10101 1

1 110

1 1

t / τ0,1 0,9 t / τ 0,1

t / τ 1

(3.6)

Suy ra: 101 1t 1 / 9.τ (3.7)

và tại t = t2 gia trị dong điện i(t) = 0,9I0, suy ra:

10102 1

2 110

2 1

t / τ0,9 0,1 t / τ 0,9

t / τ 1

(3.8)

Suy ra: 102 1t 9.τ (3.9)

Từ đây: 10 10

2 1 ds 1t t 0,8t ( 9 1/ 9).τ

(3.10)

ds10 10

0,8.tdsτ = 1,88t1 ( 9 - 1/ 9)

(3.11)

Tương tự trong qua trình dong điện suy giảm hàm dong điện đươc xac định gân đung

theo biêu thưc sau:

i(t) = I0 e(−

t

τ2) (3.12)

Khi t = t5 gia trị dong điện i(t) = 0,5I0

Suy ra:

I0 e(−

t5τ2

) = 0.5I0 (3.13)

t5

τ2 = ln2

(3.14)

τ2 =

t5

ln2 (3.15)

Khi t > 0, x(t) < 1 dong điện cực đại nhỏ hơn I0. Vì vậy, hệ sô hiệu chỉnh giá trị dòng

điện đỉnh η đươc xac định băng công thưc tính giá trị η (3.16) [57]:

101 2 2 1τ /τ . 10τ /τ

1η

e

(3.16)

Kết quả tính toan τ1, τ2, η theo cac biêu thưc (3.11), (3.15) và (3.16), tương ưng với cac dạng

xung sét khac nhau đươc trình bày, Bảng 3.1.

Bảng 3.1: Các giá trị thông sô tính toán với cac xung dong điện sét chuẩn

tds(µs) ts(µs) 𝛕𝟏(s) 𝛕𝟐(s) η ta(s) tb(s) e1(%) e2(%)

10 350 1.8800e-05 4.9052e-04 9.3533e-01 9.8750e-06 3.6039e-04 1.25 2.97

1 5 1.8800e-06 5.7708e-06 6.3204e-01 8.7500e-07 5.4875e-06 12.5 9.8

4 10 7.5200e-06 8.6562e-06 3.2983e-01 3.1250e-06 1.1013e-05 21.88 10,13

8 20 1.5040e-05 1.7312e-05 3.2983e-01 6.2500e-06 2.1825e-05 21.88 9.0

Trong đó: ta là thời gian đâu sóng tính toán, tb là thời gian đuôi sóng tính toan, η là gia trị hiệu chỉnh biên

độ xung dòng đỉnh, e1, e2 tương ưng là sai sô đâu sóng và đuôi sóng.

e1= 100% −𝑡𝑎∗100%

𝑡𝑑𝑠 e2= 100% −

𝑡𝑏∗100%

𝑡𝑠

Nhận xét, các dạng xung sét, có dạng xung sét 1/5µs, 4/10µs, 8/20µs có sai sô vươt giá trị

cho phép về sai sô đâu song và đuôi song cua xung sét chuẩn.


3.1.2.3. Hiệu chỉnh thông sô

Với sai sô cua 3 dạng xung sét ở Bảng 3.1, sử dụng phương phap bù sai sô sinh ra đê

thực hiện việc hiệu chỉnh và sử dụng giả thiết cac hàm 10(t / τ )1x(t) = 1

10(t / τ ) +11

và

2-t /τ( )

y(t) = e 1 khi tính toan. Vì cac hàm x(t) và y(t) đều nhỏ hơn 1 nên việc hiệu chỉnh

phải thực hiện sao cho cac gia trị 1τ , 2τ làm cho gia trị hàm x(t) và y(t) giảm.

Đôi với hàm 10(t / τ )1x(t)

10(t / τ ) +11

giảm khi 10(t / τ )1

giảm, tưc là 1τ tăng, ngươc lại,

2-t /τ( )

y(t) = e giảm khi 2τ giảm.

Quy trình hiệu chỉnh theo 5 bước như sau:

Bước 1: Tìm gia trị 1τ , 2τ theo biêu thưc (3.11) và (3.15)

Bước 2: Tính cac sai sô e1, e2

Bước 3: Hiệu chỉnh lại 1τ , 2τ theo hướng tăng 1τ và giảm 2τ

Bước 4: Tính lại cac sai sô e1, e2

Bước 5: So sanh gia trị cac sai sô e1, e2 mới và gia trị cac sai sô e1, e2 cũ. Nếu cac gia

trị e mới nhỏ hơn gia trị e cũ thì dừng lại, nếu cac gia trị e mới lớn hơn cac gia trị e cũ thì

quay lại Bước 3.

Giải thuật hiệu chỉnh đươc trình bày như trong Hình 3.1 và kết quả tính toan đươc trình

bày trong Bảng 3.2.

m τ1, τ2

theo u c(4.11) (4.15)

nh sai e1, e2

nh i sai e1, e2

e1, e2 a u n

sai n

ng

Sai

u nh theo ng ăng τ1

g m τ2

t

Hình 3.1: Lưu đồ hiệu chỉnh sai sô


Bảng 3.2: Kết quả sai sô sau khi hiệu chỉnh

tds(µs) ts(µs) 𝝉𝟏 𝝉𝟐 ta(s) tb(s) e1 (%) e2 (%)

10 350 1.9740e-05 4.6599e-04 1.0250e-05 3.4402e-04 2.5 1.7

1 5 2.2800e-06 4.6873e-06 1.0000e-06 4.9000e-06 0 2

4 10 1.0032e-05 6.3279e-06 4.0000e-06 1.0500e-05 0 5

8 20 2.0064e-05 1.2656e-05 8.0000e-06 2.0900e-05 0 4.5

Nhận xét: Khi sử dụng giải thuật hiệu chỉnh các thông sô thì cac dạng xung sét tính

toan theo hàm toan cua Heidler đã thỏa điều kiện về độ chính xac theo xung sét chuẩn quy

định. Trên cơ sở đó, bước tiếp theo cân phải xây dựng mô hình may phat xung sét cải tiến

trong môi trường Mathlab tích hơp nhiều dạng xung sét khac nhau với sai sô thỏa điều kiện

xung sét chuẩn nhằm phục vụ công tác kiêm tra mô hình thiết bị chông sét trên đường nguồn

hạ ap.

3.1.3. Máy phát xung sét cải tiên trong môi trường Matlab

Bước 1: Xac định cac phân tử trong mô hình may phat xung cải tiến theo phương trình

toan hoc Heidler.

Bước 2: Xây dựng sơ đồ khôi may phat xung sét cải tiến.

Sau khi xac định cac phân tử trong mô hình may phat xung cải tiến theo phương trình

toan hoc Heidler, kết nôi cac phân tử lại với nhau đươc sơ đồ khôi như Hình 3.4

Hình 3.2: Sơ đồ khôi mô hình may phat xung cải tiến

Giá trị sô có đươc sẽ đươc chuyên thành tín hiệu qua khôi Control Current Sources

Bước 3: Tạo Subsystem và tạo Mask cho may phat xung sét.

Hình 3.3: Hộp thoại khai báo thông sô đâu vào cua mô hình MOV


3.1.4. Đánh giá mô hình mô phỏng các dạng xung dòng

Mô hình may phat xung sét sau khi xây dựng có dạng như Hình 3.4 (a) và mạch mô

phỏng đanh gia mô hình may phat xung dong điện sét như Hình 3.4 (b).

(a) (b)

Hình 3.4: Mô hình may phat xung dong điện sét và mạch mô phỏng đanh gia mô hình may

phat xung dong điện sét

(a) Mô hình máy phát xung dòng

(b) Mạch mô phỏng đanh gia mô hình may phat xung dong

Tiến hành mô phỏng cac xung dong điện sét hình 3.5, kết quả đanh gia sai sô cac

dạng xung dong điện sét đươc trình bày ở Bảng 3.3.

Hình 3.5. Dạng xung dong sét mô phỏng 8/20s-3kA

Bảng 3.3: Kết quả thông sô cac dạng xung dong sét mô phỏng

Giá trị thông số đầu

vào các dạng xung

sét

Giá trị được xác định dựa trên dạng song mô phỏng Sai số

tds(µs) ts(µs) Im(A) Ipeak(A) t_10% t_50% t_90% ta(s) tb(s) Ipeak

(%)

e1

(%)

e2

(%)

10 350 3000 2999 0.000016 0.000352 0.000024 0.00001 0.000337 0.03 0 3.71

1 5 3000 3001 0.0000016 0.0000064 0.0000024 0.000001 0.0000049 0.03 0 2

4 10 3000 3000 0.0000072 0.0000168 0.0000104 0.000004 0.00001 0 0 0

8 20 3000 3000 0.0000144 0.0000336 0.0000208 0.000008 0.00002 0 0 0

Nhận xét: Nhận xét: kết quả mô phỏng có kết quả sai sô về: Dong điện đỉnh, thời gian

đâu sóng và thời gian đuôi sóng đap ưng sai sô xung sét chuẩn quy định (± 10%).


3.2. Mô hình thiêt bị chống sét hạ áp


Hiện nay, có nhiều công trình nghiên cưu trong nước và quôc tế về thiết bị chông sét

lan truyền trên đường nguồn hạ ap, nhưng chưa có công trình nào xem xét đây đu cac yếu tô

về sai sô điện ap ngương, nhiệt độ môi trường. Việc nghiên cưu đê tạo ra mô hình thiết bị

chông sét trên đường nguồn hạ ap trong Matlab có xem xét đu cac yếu tô ảnh hưởng trên là

cân thiết.

3.2.2. Xây dựng mô hình thiêt bị chống sét hạ áp cải tiên trên Matlab

3.2.2.1. Mô hinh điên trở phi tuyên trên Matlab

Phân tử phi tuyến V = f(I) đươc xây dựng trên một bảng tra, với môi giá trị cua

điện áp V sẽ tương ưng với một giá trị dong điện I, theo như biêu thưc (3.17).

II ebebIbbVloglog 43log2110

(3.17)

Ứng với môi loại MOV hạ thế chuẩn, các thông sô b1, b2, b3, b4 tương ưng. Các

thông sô b1, b2, b3, b4 này đươc xac định dựa trên đăc tính V-I cua MOV nằm trong vùng

MOV hoạt động bình thường, ưng với độ sai sô TOL cua điện áp MOV là 0%. Tùy vào

từng loại MOV, độ sai sô TOL chuẩn có thê thay đôi từ 10% đến 20%.

Hình 3.6: Đăc tuyến V-I cua MOV

Từ biêu thực 3.17, suy ra 10ln

lnlog4

log3log21

VIeb

IebIbb

(3.18)

Dựa vào đăc tuyến V-I trong vùng MOV hoạt động, chon 4 điêm trên đăc tuyến V-

I tương ưng tính b1, b2, b3, b4 bằng cách giải hệ 4 phương trình.

10ln

1ln1log4

1log31log21

VIeb

IebIbb

10ln

2ln2log4

2log32log21

VIeb

IebIbb

(3.19)

10ln

3ln3log4

3log33log21

VIeb

IebIbb

10ln

4ln4log4

4log34log21

VIeb

IebIbb

Đê mô phỏng trường hơp khi MOV chịu xung dong phóng điện, trường hơp điện

ap dư cua MOV có giá trị cực đại (đây cũng chính là gia trị V cua MOV trong đăc tính V-I


đươc cho trong catalogue), độ sai sô dương sẽ đươc sử dụng cho mô hình thông qua biêu

thưc (3.20).

)0(I10).100/1(loglog 43log21 II ebebIbbTOLV (3.20)

Hình 3.7: Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến cua V = f(I) cua MOV

3.2.2.2. Ảnh hưởng cua nhiêt đô lên đặc tuyên V-I

Nhiệt độ T gây ảnh hưởng đến khả năng trực tiếp tuôi tho và khả năng dân dòng

IMAX cua MOV:

-550C ≤ T ≤ 850C: IMAXT = IMAX (3.21)

850C ≤ T ≤ 1250C: IMAXT = (-2,5*T+312,5)*IMAX/100 (3.22)

T > 1250C: IMAXT = 0 (3.23)

Giá trị nhiệt độ T đươc khai báo và tính toán theo biêu thưc (3.21), (3.22), (3.23)

trong Initialization Commands trong chưc năng Mask Editor cua mô hình MOV hạ thế hoàn

chỉnh.

3.2.2.3. Mô hình thiêt bi chông sét MOV ha áp cai tiên trên Matlab

Mô hình MOV hạ ap trên Matlab như Hình 3.8.

Hình 3.8: Mô hình cải tiến MOV hạ áp

Với điện trở Rs =100n, Rp =100M, điện cảm Ls ≈ 1 nH/mm, và tụ điện Cp có

giá trị khác nhau ưng với từng loại MOV khác nhau. Mô hình thiết bị chông sét hạ áp MOV

xây dựng trong Matlab Hình 3.9.

Hình 3.9: Thiết bị chông sét MOV hạ áp


Sử dụng Mask Editor khai báo các biến trong mục Parameters:

Hình 3.10: Hộp thoại khai báo biến và hộp thoại Initialization cua mô hình MOV hạ áp

Trong đó: Vc là điện áp làm việc xoay chiều cực đại MOV (giá trị RMS), giá trị

điện áp này đươc nhà sản xuất chuẩn hóa và là giá trị cơ bản đê chon giá trị MOV tương

ưng với các mạng điện ap khac nhau như: 230V, 275V, 440V và 750V; Imax là gia trị biên

độ cua xung dong 8/20 μs mà MOV có thê chịu đựng, giá trị biên độ đươc chuẩn hóa bởi

nhà sản xuất và là giá trị cơ bản đê chon loại MOV ưng với các mưc độ chịu đựng xung

dong khac nhau như: 2,5kA, 4,5kA, 6,5kA, 8kA, 25kA, 40kA, 70kA và 100kA. Hai thông

sô Vc và Imax trên đê phân loại MOV, ưng với các MOV khác nhau sẽ có các giá trị L, C và

b1, b2, b3 và b4 khac nhau; TOL là sai sô % cua điện ap ngương MOV và thường có giá trị

chuẩn là 10%, 15%, 20%; T là nhiệt độ MOV đươc đo bằng độ C và có gia trị từ -55

đến 1250C; N là sô lương phân tử MOV có trong thiết bị chông sét.

Trong mục Initialization, nhập giá trị thông sô đâu vào cua mô hình. Viết chương

trình đê truy suất các giá trị L, C, thông sô b1, b2, b3, b4 và tính giá trị cua mảng điện áp

V_array_input theo mảng dong điện I_array_output thông qua biêu thưc (3.19) theo đăc

tuyến V-I cua MOV.

Hai mảng V_array_input và I_array_output khai báo cho khôi Look-up Table cua

mô hình phân tử điện trở phi tuyến, thê hiện môi quan hệ V-I theo biêu thưc (3.20) cua

MOV, đươc tính toan trước trong chương trình bởi câu lệnh:

I_array_output=[0.0000001 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 300 1000

2000 5000 10000 20000 40000 100000 1000000];

V_array_input=(1+TOL/100)*10.^(b1+b2*log10(I_array_output/N)+b3*exp(-

log10(I_array_output/N))+b4*exp(log10(I_array_output/N)));

Hoàn tất cac bước xây dựng mô hình trong Mask Editor, cuôi cùng đươc mô hình

hoàn chỉnh cua thiết bị chông sét MOV hạ áp. Các thông sô đâu vào cua mô Hình 3.11:

Hình 3.11: Hộp thông sô đâu vào mô hình thiết bị chông sét MOV hạ áp


3.2.2.4. Đánh giá mô hinh thiêt bi chông sét vơi xung dong 8/20 µs

Mạch kiêm tra đap ưng mô hình thiết bị chông sét hạ ap dưới tac động cua xung

dong 8/20µs trình bày ở Hình 3.12.

Hình 3.12: Sơ đồ mô phỏng cua thiết bị chông sét hạ áp

a. Tiên hanh mô phong vơi các thiêt bi chông sét ha áp cua hãng SIEMENS:

Có các thông sô kỹ thuật trình bày ở Bảng 3.4 với xung dong 8/20μs có biên độ

3kA ở nhiệt độ lân lươt là 28°C và 1000C

Bảng 3.4: Thông sô kỹ thuật thiết bị chông sét hạ áp cua hãng SIEMENS

Bảng 3.5: Kết quả so sánh mô phỏng thiết bị chông sét SIEMENS ở 28oC và 1000C

b. Tiên hanh mô phong thiêt bi chông sét ha áp B32K320 va B60K320 cua hang EPCOS:

Các thông sô kỹ thuật trình bày ở Bảng 3.6 với xung dong 8/20μs có biên độ 5kA ở

nhiệt độ lân lươt là 28°C và 1000C.

Bảng 3.6: Thông sô kỹ thuật thiết bị chông sét hạ áp cua EPCOS

Bảng 3.7: Kết quả so sánh mô phỏng thiết bị chông sét EPCOS ở 280C và 1000C


Nhận xét: Qua các kết quả tông hơp mô phỏng cua mô hình thiết bị chông sét hạ áp

đôi với các loại MOV cua các nhà sản xuất như trong Bảng 3.5 và Bảng 3.7, kết quả mô

hình thiết bị chông sét hạ ap cải tiến có giá trị sai sô nằm trong phạm vi cho phép cua MOV

quy định (sai sô điện ap dư trên mô hình so với dữ liệu cua nhà sản xuất có giá trị lớn nhất

là 1,2%, giá trị thấp nhất là 0,08%).

Thông sô đâu vào cua mô hình tương đôi đơn giản, hoàn toàn đươc cung cấp từ

nhà sản xuất.

3.2.2.5. Kiêm tra điên áp dư cua thiêt bi chông set đươc thí nghiêm từ máy phát xung sét

AXOS8 tai phòng thí nghiêm thí nghiêm C102 cua trương đai học SPKT-Tp.HCM và mô

hình

Bảng 3.8: Thông sô kỹ thuật cua thiết bị chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp MFV

20D511K Điện áp làm việc AC max (V) 320

Dong điện xung 8/20μs max (kA crest) 6,5

Sai sô điện áp MOV (%) 10

Nhiệt độ (°C) 28

Thực hiện mô phỏng trên Matlab sử dụng xung dòng 8/20µs có biên độ 3kA cho kết

quả đap ưng cua các thiết bị chông sét hạ áp MFV 20D511K, điện ap dư cua thiết bị chông

sét hạ áp MFV 20D511K khi mô phỏng ở 280C và 1000C

Bảng 3.9: So sanh điện áp dư giữa thực nghiệm thực tế và mô hình

Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm, sai lệch điện ap dư giữa mô hình thiết bị chông sét hạ

áp cải tiến trên Matlab và máy phát xung sét thí nghiệm thực tế đôi với thiết bị chông sét hạ

áp MFV 20D511K ở 280C là 7%; ở 1000C là 5%.

3.3. Kêt luận

Xây dựng đươc mô hình máy phát xung sét cho 4 dạng xung dòng sét khác có sai sô

đap ưng sai sô cua xung sét chuẩn quy định (10%). Kết quả mô phỏng đôi với cac dạng

xung dong sét, gia trị sai sô lớn nhất về gia trị dong điện đỉnh là 0.03% ,về thời gian đâu

sóng là 0%, về thời gian đuôi sóng là 3,71%; Xây dựng đươc mô hình thiết bị chông sét trên

đường nguồn hạ ap trong môi trường Matlab có tính tương đồng cao sao với nguyễn mâu, cụ

thê: Về cấu tạo cua thiết bị trong mô hình, điện ap làm việc cực đại, dong xung cực đại, sai

sô điện ap ngương, nhiệt độ môi trường. Kết quả kiêm tra điện ap dư giữa mô hình hóa mô

phỏng và điện ap dư từ catalogue cua nhà sản xuất: Có giá trị lớn nhất là 1,2%, giá trị thấp

nhất là 0,08%, Kết quả kiêm tra điện ap dư giữa mô hình MOV MFV 20D511K và MFV

20D511K đươc thí nghiệm tại phòng C102 trường ĐHSPKT-Tp.HCM thì tại nhiệt độ 280c

sai sô 7%, tại 1000C sai sô 5%.


Chương 4

GIẢI PHÁP LỰA CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ

CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN CHO

CÔNG TRÌNH ĐIỂN HÌNH

4.1. Tổng quan

4.2. Quy trình tính toán và lựa chọn thiêt bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường

nguôn

4.2.1. Quy trình đánh giá rủi ro cho công trình mẫu làm điển hình

Quy trình tính toán đanh gia rui ro cho công trình điên hình mang tính minh hoa gồm 11

bước và đươc trình bày như Hình 4.1.

Chú thích: R1, R2 tương ưng là giá trị rui ro thiệt hại về con người và giá trị rui ro thiệt hại về dịch vụ; RT là giá trị rui ro

chấp nhận đươc; LPS (Lightning Protection System) hệ thông bảo vệ chông sét đanh trực tiếp; SPM (Surge Protection

Measures) biện pháp bảo vệ chông sét lan truyền.

Hình 4.1: Quy trình đanh gia rui ro cho trạm viễn thông


Quy trình đanh gia rui ro cho trạm viễn thông gồm 9 bước như sau:

Bước 1: Xac định những đăc điêm và thông sô công trình cân bảo vệ chông sét bao gồm:

Kích thước nhà trạm; độ cao tháp anten liền kề; mưc độ che chắn bởi những công trình khác

lân cận; mật độ sét khu vực; biện pháp bảo vệ phòng cháy chữa cháy; sô lương, cách lắp đăt

và chiều dài đường dây dịch vụ kết nôi đến nhà trạm, các biện pháp bảo vệ chông sét hiện

có,….

Bước 2: Xac định loại tôn thất thiệt hại do sét gây ra (Con người, dịch vụ, di sản văn hóa

hay kinh tế).

Bước 3: Xac định và tính toán thành phân rui ro cho môi loại tôn thất

Bước 4: Tính tông giá trị rui ro thành phân cho môi loại tôn thất và so với giá trị tôn thất

cho phép theo tiêu chuẩn IEC 62305-2 [1]. Nếu giá trị tính toán rui ro cho môi loại tôn thất <

giá trị rui ro loại tôn thất cho phép thì công trình đươc bảo vệ, và ngươc lại cân phải lắp đăt

thiết bị bảo vệ chông sét.

Bước 5: Công trình cân phải lắp đăt hệ thông bảo vệ chông sét

Bước 6: Xem công trình đã lắp đăt hệ thông chông sét trực tiếp (Lightning protection system

- LPS) hay chưa ?.

Nếu công trình chưa lắp đăt LPS thì cân phải lựa chon LPS có cấp độ bảo vệ thích

hơp đê lắp đăt

Nếu công trình đã lắp đăt LPS:

Chuyên sang Bước 7 và lựa chon bô sung LPS có cấp độ bảo vệ thích hơp đê lắp

đăt

Chuyên sang Bước 8 xem công trình đã lắp đăt hệ thông chông sét lan truyền

(SPM) hay chưa ?.

Bước 8: Công trình đã đươc lắp đăt hệ thông chông sét lan truyền (SPM) thì chuyên sang

bước 10; công trình chưa đươc lắp đăt hệ thông chông sét lan truyền (SPM) thì chuyên sang

Bước 9 Bước 9: Lựa chon SPM có cấp độ bảo vệ thích hơp đê lắp đăt.

Bước 10: Lựa chon bô sung SPM có cấp độ bảo vệ thích hơp đê lắp đăt.

Bước 11: Sau khi lắp đăt LPS có cấp độ bảo vệ thích hơp hoăc lắp đăt bô sung LPS có cấp

độ bảo vệ thích hơp; lắp đăt SPM có cấp độ bảo vệ thích hơp hoăc lắp đăt bô sung SPM có

cấp độ bảo vệ thích hơp thì quay trở lại Bước 4 tiến hành tính toan đanh gia rui ro đê kiêm

tra công trình đã đươc bảo vệ chưa.

4.2.2. Quy trình lựa chọn và kiểm tra khả năng bảo vệ của thiêt bị bảo vệ chống sét lan

truyền

Sau khi tính toan đanh giá rui ro thiệt hai do sét gây ra và xac định đươc các thành

phân rui ro, tiến hành lựa chon thiết bị bảo vệ chông sét và lựa chon vị trí lắp đăt và kiêm tra

tra khả năng bảo vệ cua phương an đề xuất thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền gồm 6 bước

và đươc thực hiện như Hình 4.2.


Chú thích: với UP là điện ap dư (điện áp bảo vệ) tại đâu cực các thiết bị; Un là điện ap danh định cua hệ thông.

Hình 4.2: Quy trình lựa chon và kiêm tra khả năng bảo vệ cua thiết bị bảo vệ chông sét lan

truyền trên đường nguồn

Bước 1: Dựa trên sơ đồ nguyên lý cấp điện cho công trình, tiến hành xây dựng mô hình

mạng phân phôi điện trên phân mềm mô phỏng Matlab.

Bước 2: Lựa chon thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền (Các mô hình thiết bị bảo vệ chông

sét đươc xây dựng ở Chương 3) trên đường dây cấp nguồn phù hơp với tải cân bảo vệ.

Bước 3: Lựa chon vị trí lắp đăt thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên đường dây cấp

nguồn: Tại tu phân phôi chính, tu phân phôi phụ hay tại đâu cực thiết bị.

Bước 4: Tiến hành mô phỏng kiêm tra khả năng đap ưng cua thiết bị bảo vệ chông sét lan

truyền trên đường dây cấp nguồn bằng cách tạo ra xung sét lan truyền xuất hiện ở những vị

trí khác nhau (Cat) trên đường dây cấp nguồn theo vùng bảo vệ tương ưng, giá trị xung dòng

sét phụ thuộc mật độ sét và vùng bảo vệ tương ưng như Hình 4.3. Bằng mô hình máy phát

xung sét và mô hình thiết bị đươc xây dựng ở chương 3, và khảo sat điện ap dư tại đâu cực

thiết bị trong từng trường hơp.


Hình 4.3: Các dạng xung sét tiêu chuẩn

Bước 5: Kiêm tra điện áp bảo vệ cua thiết bị chông sét UP

- Theo IEC 60614-1 đôi với các thiết bị điện, điện áp 230V/400V: Up 1.5kV (4.1)

- Theo tiêu chuẩn AS/NZS 1768 đôi với thiết bị điện tử: Up 1.5 Un (4.2)

Un là điện áp danh định cua thiết bị điện tử

Trong trường hơp lựa chon thiết bị bảo vệ chưa đap ưng thì quay lại Bước 2

Hình 4.4: Giá trị điện ap dư qua độ do sét đôi với thiết bị điện tử

Bước 6: Kết luận công trình đã đươc bảo vệ tránh khỏi những rui ro do sét lan truyền trên

đường nguồn gây ra.

4.3. Tính toán cho công trình điển hình mang tính minh họa

4.3.1. Đặc điểm công trình

- Công trình điên hình làm công trình mâu là trạm viễn thông ở huyện Long Thành, tỉnh

Đồng Nai, Việt Nam đươc xây dựng bằng bê tông côt thép, khu vực có mật độ sét là 13,7

lân/km2/năm và không có công trình khac cao hơn lân cận. Thap anten đươc xây dựng bằng

thép cách nhà trạm 4m và có độ cao 50m.

- Chiều dài đường dây cấp nguồn kết nôi đến nhà trạm là 500m lắp đăt trên cột điện có chiều

cạo 5,5m, khoảng cách giữa 2 dây dân ngoài cùng là 2m, vật che chắn xung quanh cao 10m,

khoảng cách từ vật che chắn đến đường dây ngoài cùng là 40m.

- Chiều dài đường dây thông tin liên lạc kết nôi đến nhà trạm tương ưng là 1000m.


+ Hệ thông bảo bệ chông sét đanh trực tiếp cho công trình đã đươc trang bị lắp đăt, cột

anten đã đươc lắp đăt chông sét với cáp thoát sét chông nhiễu, hệ thông nôi đất đạt chuẩn

yêu câu về kỹ thuật; cac đường dây thông tin liên lạc đã đươc lắp đăt hệ thông bảo vệ chông

sét lan truyền.

+ Trên đường dây cấp nguồn chưa đươc lắp đăt hệ thông bảo vệ chông sét lan truyền.

+ Trạm viễn thông cân đươc đanh gia rui ro thiệt hại về con người và rui ro thiệt hại về

dịch vụ do sét gây ra đê lựa chon thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn.

4.3.2. Đánh giá rủi ro thiệt hại do sét cho trạm viễn thông

Quy trình đanh gia rui ro cho trạm viễn thông đươc thực hiện như Hình 4.1

Bước 1: Xac định đăc điêm, các thông sô công trình cân bảo vệ:

Các bảng thông sô đăc điêm cua công trình và môi trường che chắn xung quanh, đăc điêm

cua đường dây điện cấp nguồn, đăc điêm cac đường dây viễn thông đươc trình bày ở Phụ lục

11.

Bước 2: Đôi với công trình viễn thông, xac định có 2 loại tôn thất rui ro thiệt hại do sét gây

ra: Tôn thất về con người (R1) và tôn thất về dịch vụ (R2):

Bước 3: Tính toán các thành phân rui ro liên quan đến R1 và R2 do sét gây ra cho trạm viễn

thông đươc trình.

Bước 4: So sánh giá trị R1 và R2 với các giá trị rui ro tương ưng RT1 và RT2 tiêu chuẩn IEC

62305-2 [1] quy định

Bảng 4.1: So sánh giá trị các giá trị rui ro với rui ro theo tiêu chuẩn [1] quy định

Giá trị rủi ro tính toán

được

Giá trị rủi ro theo tiêu

chuân [1] quy định Kêt luận

R1= 3,88.10-6 RT1= 10-5 R1<RT1

R2 = 0,0309 RT2= 10-3 R2>RT2

⇒ Giá trị rui ro R2 cao hơn gia trị rui ro tiêu chuẩn.

Bước 5: Công trình cân đươc lắp đăt hệ thông bảo vệ chông sét

Bước 6: Xem xét công trình có trang bị LPS hay chưa ?. Ở đây đươc xem là công trình đã

đươc lắp đăt LPS với SPD có cấp độ bảo vệ LPL cấp I, và chuyên sang bước 8.

Bước 8: Xem xét công trình có trang bị lắp đăt SPM hay chưa ?. Công trình chưa đươc trang

bị SPM trên đường dây cấp nguồn chuyên sang Bước 9.

Bước 9: Lựa chon và lắp đăt SPM cho đường dây cấp nguồn: SPD có cấp độ bảo vệ LPL

cấp II (PSPD/P=0,05.0,02=0,001)

Bước 10: Tính toán lại những giá trị rui ro thành phân mới.

Sau khi tính toán lại những giá trị rui ro thành phân, quay lại Bước 4 tính toán rui ro

cho R1 và R2:

Bảng 4.2: So sánh giá trị rui ro cua các thành phân khi đươc lắp đăt SPD với giá trị rui ro

theo tiêu chuẩn [1]

Giá trị rủi ro tính toán

được

Giá trị rủi ro quy định

tiêu chuân [1] Kêt luận

R1= 3,87.10-6 RT1= 10-5 R1 < RT1

R2 = 2,137.10-4 RT2= 10-3 R2 < RT2

⇒ Giá trị rui ro R1 và R2 đều thấp hơn gia trị rui ro chấp nhận đươc.


Nhận xét: Các giá trị rui ro R1 và R2 sau khi lắp đăt thiết bị chông sét LPS với SPD có

cấp độ bảo vệ LPL cấp I và SPM với SPD có cấp độ bảo vệ LPL cấp II, các giá trị rui ro RT1

và RT2 thấp hơn RT1 và RT2 theo tiêu chuẩn [1] quy định, công trình đã hạn chế đươc rui ro

thiệt hại do sét gây ra. Trên cơ sở đó, tiến hành lựa chon phương an bảo vệ chông sét lan

truyền đường nguồn: Lựa chon thiết bị bảo vệ chông sét, lựa chon vị trí lắp đăt thiết bị, kiêm

tra khả năng bảo vệ cua thiết bị chông sét chông sét lan truyền trên đường nguồn sau khi lắp

đăt.

4.3.3. Phương án bảo vệ chống sét lan truyền trên đường nguôn

Bước 1: Xây dựng mô hình mạng phân phôi điện trên phân mềm mô phỏng Matlab.

Dựa trên sơ đồ cấp điện chính cho trạm viễn thông và bảng tông hơp thiết bị có trong

nhà trạm, xây dựng mô hình mạng phân phôi điện trên phân mềm mô phỏng Matlab như

Hình 4.5.

Bước 2: Lựa chon thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn

- Lựa chon SPD cấp I: (Cat B)

- Lựa chon SPD cấp II: (Cat C)

Bước 3: Chon vị trí lắp đăt thiết bị bảo vệ chông sét

Thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ ap đươc lắp đăt tại tu phân phôi

chính và tu phân phôi phụ.

Bước 4: Tiến hành mô phỏng kiêm tra đap ưng cua thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên

đường dây cấp nguồn và khảo sat điện ap dư qua tải: Tải AC 230V/400V, tải DC 48V

Mật độ sét khu vực đăt trạm viễn thông là 12 lân/km2/năm, theo tiêu chuẩn

ANSI/IEEE C62.41, IEC 61643 ở Hình 4.3 tiến hành mô phỏng với xung dòng sét 8/20μs,

biên độ xung dòng 40kA:

- Khi chưa lắp đặt SPD

Giá trị mô phỏng điện ap dư tại các tải đươc trình bày ở Bảng 4.3


Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng mạng phân phôi điện trên phân mềm Matlab

Bảng 4.3: Giá trị mô phỏng điện ap dư qua cac tải khi chưa lắp SPD

Biên độ xung thử nghiệm 8/20µs

(kA)

Giá trị đỉnh điện áp dư qua tải AC

(V)

Giá trị đỉnh điện áp dư qua tải

DC (V)

40 38600 460


Kết quả mô phỏng kiêm tra điện ap dư qua cac tải AC và DC khi xuất hiện qua độ

điện áp do sét đều lớn hơn điện áp bảo vệ UP theo tiêu chuẩn quy định. Do đó, cân phải

lựa chon SPD và vị trí lắp đăt đê bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn cho các

thiết bị điện và điện tử.

- Khi lựa chọn thiêt bị SPD và vị trí lắp đặt:

+ Tại tu phân phôi chính, chon SPD cấp I (Cat B): Dựa vào vị trí lắp đăt thiết bị

chông sét lan truyền đường nguồn, mật độ sét lắp đăt cua công trình và biên độ xung

dòng sét xuất hiện 40kA, dạng xung sét 8/20µs. Chon thiết bị chông sét lan truyền đường

nguồn SPD có điện áp làm việc 275V, dòng xung chịu đựng cua thiết bị chông sét (Imax

impulse current) 40 kA hoăc 70 kA hoăc 100kA (3 thiết bị có xung dòng Imax chịu đựng

khác nhau).

+ Tại tu phân phôi phụ AC, chon SPD cấp II (Cát C): Dựa vào vị trí lắp đăt thiết bị

chông sét, mật độ sét và biên độ xung dòng sét xuất hiện xuất hiện 40kA, dạng sét

8/20µs. Chon SPD có điện áp làm việc 275V, dòng xung chịu đựng cua thiết bị chông sét

(Imax impulse current) 25 kA hoăc 40 kA hoăc 70kA (3 thiết bị có xung dòng Imax chịu

đựng khác nhau). Kết quả mô phỏng kiêm tra điện áp dự đôi với tải AC và DC trình bày

ở bảng ở Bảng 4.4, Bảng 4.5 khi lắp đăt SPD lắp đăt tại vị trí tu nguồn chính cấp I và tu

nguồn phụ cấp II .

Bảng 4.4: Giá trị mô phỏng điện ap dư qua tải AC khi lắp SPD tại tu phân phôi chính và

tu phân phôi phụ

Biên độ

xung

thử

nghiệm

8/20µs

Sai số

điện áp

MOV

(%)

SPD cấp I SPD cấp II

Điện áp

định mức

MOV (V)

(SPD cấp I)

Dòng

xung định

mức

MOV

(kA)

Giá trị

đỉnh điện

áp dư

qua tải

(V)

Điện áp định

mức MOV

(V)

(SPD cấp II)

Dòng

xung định

mức

MOV

(kA)

Giá trị

đỉnh điện

áp dư

qua tải

(V)

40 10 275 40 1779 275 25 1117

40 1071

40 10 275 70 1661 275

25 1089

40 1046

70 1011

40 10 275 100 1407 275

25 1008

40 976

70 950

Bảng 4.5: Giá trị điện ap dư qua tải DC khi lắp SPD tại tu phân phôi chính

Điện áp định

mức MOV (V)

(SPD cấp I)

Dòng xung

định mức

MOV (kA)

Sai số điện

áp MOV

(%)

Biên độ xung

thử nghiệm

8/20µs

Giá trị đỉnh

điện áp dư

qua tải (V)

275 40 10 40 63.7

275 70 10 40 63.7

275 100 10 40 63.9

Bước 5: Kiêm tra điện áp bảo vệ:

- Từ kết quả mô phỏng sau khi lắp đăt thiết bị bảo vệ chông sét với một dạng xung sét

chuẩn 8/20µs, biên độ xung dòng 40kA cho các thiết bị có xung dòng chịu đựng khác

nhau ở các cấp bảo vệ khác nhau:

+ Cấp I: SPD-275V-40kA; SPD-275-70kA; SPD-275-100kA


+ Cấp II: SPD-275V-25kA; SPD-275-40kA; SPD-275-70kA

- Kết quả mô phỏng điện ap dư UP (điện áp bảo vệ) do sét gây ra sau khi lắp đăt thiết bị

bảo vệ chông sét, chon thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ ap như

sau:

+ Lắp đăt thiết bị bảo vệ chông sét tại tu phân phôi chính: Với SPD cấp I, dạng

xung sét 8/20µs, điện áp làm việc 275V, xung dòng chịu đựng cua thiết bị 40kA;

+ Lắp đăt thiết bị bảo vệ chông sét tu phân phôi phụ: Với SPD cấp II có dạng xung

sét 8/20µs, điện áp làm việc 275V, dòng xung chịu đựng cua thiết bị 25kA;

Bước 6: Qua việc lựa chon thiết bị bảo vệ chông sét và lựa chon vị trí lắp đăt thiết bị

chông sét lan truyền trên đường nguồn cho trạm viễn thông, kiêm tra điện áp bảo vệ khi

xuất hiện qua độ điện áp do sét gây ra đôi với thiết bị điện AC và DC. Từ kết quả mô

phỏng Bước 4 và kiêm tra ở Bước 5, công trình đã đươc bảo vệ tránh rui ro thiệt hại do

sét gây ra trên đường nguồn hạ áp.

4.4. Kêt luận

Nội dung chương 5 đã đề xuất phương an bảo vệ chông sét lan truyền trên đường

nguồn hạ áp mang tính tông thê theo cac bước: Xác định rui ro thiệt hại do sét bằng

phương phap giải tích và áp dụng phương phap mô hình hóa mô phỏng đê lựa chon thiết

bị và vị trí lắp đăt thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp đap ưng

đươc yêu câu kỹ thuật.

Hiệu quả cua phương an đươc đề xuất áp dụng cho trạm viễn thông tại huyện

Long Thành, tỉnh Đồng Nai và có các nhận xét như sau:

- Khi chưa ap dụng các biện pháp bảo vệ chông sét lan truyền trên đường nguồn thì

công trình có giá trị rui ro thiệt hại về dịch vụ là R2 = 0,0309 lớn hơn gia trị rui ro theo

tiêu chuẩn [1] quy định (10-3). Khi đươc lắp đăt SPD cấp II thì giá trị rui ro dịch vụ giảm

R2 = 5,04.10

-4 đap ưng đươc rui ro theo tiêu chuẩn [1] quy định.

- Khi tiến hành lựa chon thiết bị, vị trí lắp đăt và tiến hành mô phỏng đê kiêm tra

khả năng bảo vệ cua thiết bị chông sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp. Từ kết quả mô

phỏng kiêm tra, đề xuất đươc phương an lựa chon và lắp đăt thiết bị bảo vệ chông sét đap

ưng đươc yêu câu về kỹ thuật và hiệu quả về kinh tế.

+ Thiết bị chông sét đươc lựa chon và lắp đăt tại tu phân phôi chính cấp I: Biên độ

xung sét 40kA, dạng xung sét 8/20µs, điện áp làm việc cua thiết bị chông sét 275V,

xung dòng chịu đựng cua thiết bị 40kA;

+ Lắp đăt tại tu phân phôi phụ cấp II: Biên độ xung sét 40kA, dạng xung sét 8/20µs,

điện áp làm việc cua thiết bị chông sét 275V,xung dòng chịu đựng cua thiết bị 25kA

(theo tiêu chuẩn IEC 60614-1 và AS/NZS 1768).

Chương 5

KẾT LUẬN

5.1 Kêt quả nghiên cứu

Luận an đã tập trung nghiên cưu hoàn thành các nội dung chính trong luận án như

sau:

1. Đề xuất phương pháp cải tiến đanh gia rui ro thiệt hại do sét gây trên cơ sở sử

dụng phương phap đanh gia rui ro theo tiêu chuẩn IEC 62305-2, với một sô hệ sô đươc


tính toán chi tiết theo đề xuất cua các tiêu chuẩn AS/NZS 1768 và IEEE 1410. Các hệ sô

đươc xem xét bao gồm: hệ sô xác suất gây phóng điện nguy hiêm phụ thuộc vật liệu xây

dựng công trình, hệ sô sô lương đường dây dịch vụ kết nôi đến công trình, hệ sô che chắn

doc đường dây cấp nguồn cho công trình.

Đôi với công trình mang tính minh hoa, kết quả tính toan rui ro thiệt hại do sét theo

phương phap đề xuất có sự khác biệt đang kê khi tính toan rui ro thiệt hại do sét theo

phương phap IEC 62305-2. Cụ thê giá trị thiệt hại về con người R1 (thấp hơn khoảng

13%), và giá trị thiệt hại về kinh tế R4 (thấp hơn khoảng 11%).

2. Đề xuất mô hình máy phát xung sét áp dụng cho 4 dạng xung dòng sét khác nhau

trong môi trường Matlab có sai sô trong phạm vi cho phép. Cụ thê, gia trị sai sô lớn nhất

về dong điện đỉnh là 0.03% (<10%), về thời gian đâu sóng là 0% (<10%), về thời gian

đuôi sóng là 3,71% (<10%).

3. Đề xuất mô hình chi tiết thiết bị chông sét trên đường nguồn hạ áp trong môi

trường Matlab có xét đến các thông sô như: Điện ap làm việc cực đại, dong xung cực đại,

sai sô điện ap ngương, nhiệt độ môi trường. Mô hình thiết bị chông sét có sai sô nằm

trong phạm vi quy định cua nhà sản xuất từ catalogue (10%):

- Điện ap dư giữa mô hình và catalogue có sai sô lớn nhất là 1,2%, bé nhất là 0,08%

- Điện ap dư giữa mô hình và kết quả thử nghiệm trên hệ thông AXOS8 tại Phòng

thí nghiệm C102, ĐH SPKT Tp HCM, với nhiệt độ 280C là 7%, với nhiệt độ 1000C là

5%.

- Theo giới hạn phạm vi nghiên cưu cua đề tài, luận án đề xuất phương an bảo vệ

chông sét lan truyền trên đường nguồn cho công trình theo các bước: Tính toán xac định

thành phân rui ro thiệt hại do sét gây ra, lựa chon thiết bị bảo vệ chông sét lan truyền trên

đường nguồn hạ áp và lựa chon vị trí lắp đăt thiết bị chông sét cho công trình điên hình

mang tính minh hoa, đanh gia hiệu quả bảo vệ cua thiết bị chông sét đôi với phương an

đề ra theo phương phap mô hình hóa mô phỏng. Đê minh hoa, phương an bảo vệ chông

sét lan truyền trên đường nguồn đề xuất đươc áp dụng cho trạm viễn thông tại huyện

Long Thành, tỉnh Đồng Nai.

- Cac điêm mới cua đề tài đươc công bô trên các tạp chí chuyên ngành trong và

ngoài nước: 2 bài báo công bô hội nghị quôc tế; 1 bài báo công bô trên tuyên tập cua

NXB Spinger; 1 bài báo công bô ở hội nghị IEEE; 3 bài bao đăng trên tạp chí quôc tế; 3

bài bao đăng trên tạp chí trong nước có tính điêm trong danh mục hội đồng chưc danh

giao sư.

5.2 Hướng phát triển của đề tài

Đê công trình nghiên cưu mang tính hệ thông và toàn diện, luận án có thê tiếp tục

nghiên cưu phát triên theo các nội dung như sau:

1. Nghiên cưu và đề xuất giải pháp chông sét toàn diện bao gồm: Chông sét trực tiếp,

chông sét lan truyền trên đường tín hiệu.

2. Nghiên cưu ảnh hưởng cua hệ thông nôi đất đến hiệu quả bảo vệ chông sét.

3. Nghiên cưu sự phân bô dong không đồng đều trong các MOV mắc song song,

trong trường hơp sai sô điện ap ngương tương đôi lớn về lý thuyết.

4. Nghiên cưu về đanh gia hiệu quả kinh tế sau khi lựa chon giải pháp lắp đăt thiết bị

chông sét.

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING

HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION

LE QUANG TRUNG

STUDY AND PROPOSE SOLUTIONS FOR

LIGHTNING PROTECTING FOR TYPICAL SITE IN VIET NAM

SUMMARY OF THE THESIS

ELECTRICAL ENGINEERING

Code: 62520202

Ho Chi Minh city, 6/2019

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING

HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION

LE QUANG TRUNG

STUDY AND PROPOSE SOLUTIONS FOR

LIGHTNING PROTECTING FOR TYPICAL SITE IN VIET NAM

SUMMARY OF THE THESIS

ELECTRICAL ENGINEERING - 62520202

Scientific guide: 1. Assoc. Prof. Quyen Huy Anh

2. Assoc. Prof. Vu Phan Tu

Ho Chi Minh city, 6/2019


CHAPTER 1

INTRODUCTION TO THE STUDY

1.1. Reason to choose the topic Vietnam located in a humid tropical region with monsoon climate and high lightning

strike density. Therefore, the damage caused by lightning to people, services and the annual

economy is enormous.

In particular, now science and technology is increasingly developing, IOT (Internet

Of Thing) is applied in many fields; devices used in the field of electricity, electronics and

especially in the field of telecommunications, computer networks, ... are sensitive to high

voltage so easily damaged when there is a sudden change of electricity and voltage due to

lightning. Especially, nowadays, science and technology is increasingly developing, IOT

(Internet Of Thing) is applied in many fields; the devices are used in field such as

electricity, electronics, computer networks, and especially in telecommunications, etc.

which are sensitive to high voltage thus they are easy to be damaged when there is a sudden

change of current and voltage due to lightning.

Damage caused by lightning to electrical and electronic equipment often occurs in

the two following cases:

- Damage caused by direct lightning strikes: Lightning strike on a structure can cause

damage to property, electronic and electrical systems inside the structure and especially

people.

- Damage caused by surge on the power line: When lightning strike near the structure

or when lightning strikes directly or near power lines or service lines (main electrical

wiring systems, communication lines, ...) connected to the structure, the equipment inside

the structure may be damaged due to overvoltage. In this case, damage caused by lightning

is not just to replace the equipment but more serious damage is to stop the service or lose

data. Specifically in Vietnam, according to statistics in 2001, for the electricity industry,

there are 400 incidents that 50% caused by lightning (Tien Phong Newspaper 14/08/02).

As for Posts and Telecommunications, there are 53 lightning incidents (27.13% of

telecommunications incidents) causing 4,119 billion damage and the total time of

disconnect due to lightning is 716 hours (Lightning protection for Vietnam

telecommunication network - Shortcomings. Le Quoc Tuan - Telecommunications

Department, Pham Hong Mai - TTTTBD).

Since 1998, together with the study of lightning protection technology and the

proposed to lightning protection solutions, many organizations have implemented, as

well as the establishment of companies in this field has created conditions for us to access

to modern lightning protection technologies and equipment, but most of the lightning

protection solutions offered in Vietnam are not general including from the assessment of

the risk of damage caused by lightning to determine the required lightning protection level.

From that basis, the proposal of protection solution (or protection level) of appropriate

lightning protection.

Currently, there are many projects in the world [7 ÷ 16, 18 ÷ 20] and IEC 62305-2,

AS / NZS 1768, IEEE 1410, etc. They have been interested in this issue. However, the

method of determining the risk of damage caused by lightning according to the above

projects and standards has not considered the level of detailed of some coefficients and

often retrieves the value from the lookup table.


This leads to a method of calculating the risk of damage due to lightning, which is

not suitable to the real conditions when the values of these coefficients fluctuate in a

relatively wide range. Especially in calculating the risk determination when considering

the type of construction materials, the effect of installing power lines and shielding objects

around the power lines. In addition, the use of a formula to determine the value of these

coefficients will facilitate the calculation and programming for calculating the risk of

damage caused by lightning.

Therefore, the first research objective of the thesis is to study and propose methods

to calculate the risk of damage caused by lightning and build a software to calculate the

risk of damage due to lightning to overcome the above limitations.

Lightning is a natural, mutant and unusual phenomenon. To assess the effectiveness

of surge protection solutions on the power line has faced many difficulties. Currently, the

evaluation of the protection capacity of lightning protection devices is mainly based on the

value of the voltage across the load and the value of this voltage must be lower than the

allowed value. In Vietnam, the implementation of the protective effectiveness test of a

lightning protection solution on the power line according to the actual measurement

method is difficult owing to limitations on specialized equipment. Therefore, the research

and construction of standard surge generator model and surge protection device model on

the power line have the same level compared to the prototype to test the protection ability

of the device for lightning surge propagation on low voltage power lines, it is necessary.

This is also the second research objective of the thesis.

Currently, in our country, the proposed solutions to install surge protection devices

on the power line are mainly based on experience, preliminary calculations and not fully

consider the influencing factors (lightning strike density, installation position, type of

surges, current surges amplitude, ambient temperature, electrical distribution system

diagram, load characteristics, ....). This makes the lightning protection solutions for surge

on power line are unsuitable for practical conditions in some cases. Therefore, it is

necessary to propose the option of installing surge protection devices on the power line and

fully considering the influencing factors mentioned above. This is the third research

objective of the thesis.

For the above reasons, the thesis "Research to propose lightning protection solutions

for typical construction in Vietnam" is necessary.

1.2. Research purposes - Propose an improvement method to assess the risk of damage caused by lightning

on the basis of applying the calculation method of damage assessment by lightning

according to standard IEC 62305-2 with the calculation of some coefficients have a more

detailed level of reference proposed by other standards;

- Build a standard surge generator model for different types of surge currents and

models of surge protection devices on low-voltage power lines for the evaluation of the

protection effectiveness of lightning surge protection on low voltage power line;

- Propose a reasonable lightning surge protection solution on a power line for

illustration.

1.3. Scope and limitations of the study

- The thesis only focuses on researching and proposing methods to improve and

assess the risk of damage caused by lightning and lightning surge solution on power lines

for structures.

- When proposing lightning surge protection for the typical illustrative structure,

assuming that:


+ The project has been equipped with a direct lightning protection system based on

the technology of early streamer emission lightning.

+ Using high voltage shielded cable, limiting the phenomenon of electromagnetic

induction caused by lightning in the structure.

+ The structure has been equipped with standard grounding system.

+ The signal transmission line has been equipped with a lightning protection system

according to standards.

1.5. Research methods - Collect and research domestic and foreign documents;

- Method of modeling lightning surge generators, surge protection device in Matlab;

- Methods of analysis and synthesis.

1.6. Outstanding points of the thesis - Proposing improved methods to assess the risk of damage caused by lightning with

a detailed level of calculation in some coefficients compared to the risk assessment method

proposed by IEC 62305-2;

- Proposing an improved lightning surge generator model with many different types

of surge currents, surge protection devices model on low voltage power lines with high

similarity compared to prototypes which apply for simulation to select and equip surge

protection devices on the power lines properly;

- Proposing the procedure of assessing the effectiveness of surge protection devices

on low voltage power lines for a typical structure which illustrated the steps of determining

the risk of lightning damage by analytical method to the application step method of

simulation modeling to select parameters and location to install surge protection device on

the power line to meet technical requirements.

1.7. The scientific significance of the thesis - Results of assessment of risks due to lightning for illustrated structure by the

improved method and method according to IEC 62305-2 standard have a significant

difference in the value of risk of loss of human life ( 13%), and the risk of loss of economic

value (11%) indicates the necessity of considering the level of detailed calculation in some

coefficients and of which the shielding coefficient due to objects nearby structures;

- Evaluate the protection effect of lightning surge protection on low voltage power

line by simulation modeling method, in conditions that it is impossible to measure

overvoltage due to lightning in practice.

1.8. The practical significance of the thesis

- Research results can be used as reference for lightning risk assessment method with

more detailed calculation in some coefficients compared with IEC 62305-2, and surge

protection solution on low voltage power lines for organizations, consulting companies of

design lightning protection, graduate students in electrical engineering when studying the

problem of overvoltage protection due to lightning on low voltage power lines.


Chapter 2

IMPROVED METHOD FOR RISK ASSESSMENT OF

DAMAGES DUE TO LIGHTNING

2.1. Overview of methods for risk assessment of damages due to lightning

2.1.1. Risk assessment of damages due to lightning according to IEC 62305-2 / BS EN

62305-2 standard

2.1.1.1. Scope of application Standard IEC 62305-2 [1] / BS EN 62305-2 [4] on risk assessment is applied to

structure or related services. The purpose of the standard is to provide a procedure for

assessment the hazards caused by lightning for a structure. Once the calculated risk value

is higher than the tolerable risk value, the procedure will allow the selection and application

of appropriate protection measures to reduce the risk to the same or lower the tolerable risk

value.

2.1.1.2. Types of damage and loss due to lightning

The lightning current is the primary source of damage. The following sources are

distinguished by the point of strike: S1is flashes to a structure; S2 is flashes near a structure;

S3 is flashes to a line; and S4 is flashes near a line.

A lightning flash may cause damage depending on the characteristics of the structure

to be protected. They are as follows: D1 is injury to living beings by electric shock; D2 is

physical damage; D3 is failure of electrical and electronic systems.

Each type of damage, alone or in combination with others, may produce a different

consequential loss in the structure to be protected. The following types of loss shall be

taken into account: L1 is loss of human life; L2 is loss of service to the public; L3 is loss of

cultural heritage; L4 is loss of economic value. Damage sources, types of damage and loss

according to the location of lightning strikes are shown in Table 21, Annex 1.

2.1.1.3. Risk and risk components a. Risk:

The risks to be evaluated in a structure may be as follows: R1 is risk of loss of a

human life; R2 is risk of loss of service to the public; R3 is risk of loss of cultural heritage;

R4 is risk of loss of economic value.

b. Risk components for a structure due to flashes to the structure:

RA is a component related to injury to living beings caused by electric shock due to

touch and step voltages inside the structure and outside in the zones up to 3 m around

down-conductors; RB is a component related to physical damage caused by dangerous

sparking inside the structure; RC is a component related to failure of internal systems

caused by lightning electromagnetic impulse causing problems for electrical and electronic

systems.

c. Risk component for a structure due to flashes near the structure:

RM is a component related to failure of internal systems caused by lightning

electromagnetic impulse causing problems for systems inside the structure;

d. Risk components for a structure due to flashes to a line connected to the structure:

RU is a component related to injury to living beings caused by electric shock due to

touch voltage inside the structure causing loss of human life; RV is a component related to

physical damage fire or explosion triggered by dangerous sparking between external

installation and metallic parts generally at the entrance point of the line into the structure

due to lightning current transmitted through or along incoming lines; RW is a component


related to failure of internal systems caused by overvoltages induced on incoming lines and

transmitted to the structure causing problems for systems inside the structure.

e. Risk component for a structure due to flashes near a line connected to the structure:

RZ is a component related to failure of internal systems caused by overvoltages

induced on incoming lines and transmitted to the structure causing problems for systems

inside the structure.

2.1.1.4. Composition of risk components

R1: Risk of loss of human life.

R1 = RA1+RB1+RC11)+RM1

1)+RU1+RV1+RW11)+RZ1

1) (2.1)

R2: Risk of loss of service to the public.

R2 = RB2 + RC2 + RM2 + RV2 + RW2 + RZ2 (2.2)

R3: Risk of loss of cultural heritage.

R3 = RB3+ RV3 (2.3)

R4: Risk of loss of economic value.

R4 = RA42) + RB4 + RC4 + RM4 + RU4

2) + RV4 + RW4 + RZ4 (2.4)

2.1.1.5. Risk management

a. Procedure:

The basic procedure for risk management is including: identification of the structure

to be protected and its characteristics; identification of all the types of loss in the structure

and the relevant corresponding risk R (R1 to R4); evaluation of risk R for each type of loss

R1 to R4; evaluation of need of protection, by comparison of risk R with the tolerable risk

RT;

b. Structure to be considered for risk assessment:

The structure to be considered includes: the structure itself, installations in the

structure, contents of the structure, persons in the structure or in the zones up to 3 m from

the outside of the structure, environment affected by damage to the structure.

c. Tolerable risk RT:

It is the responsibility of the authority having jurisdiction to identify the value of

tolerable risk. Representative values of tolerable risk RT, where lightning flashes involve

loss of human life or loss of social or cultural values, are given in Table 23 – Annex 1.

In principle, for loss of economic value (L4), the route to be followed is the

cost/benefit comparison to have a values of tolerable risk.

d. Specific procedure to evaluate the need of protection

For each risk to be considered the following steps shall be taken: identification of the

components RX which make up the risk; calculation of the identified risk components RX;

calculation of the total risk R; comparison of the risk R with the tolerable value RT.

If R ≤ RT, lightning protection is not necessary.

If R > RT, protection measures shall be adopted in order to reduce R ≤ RT for all risks

to which the structure is subjected.

2.1.1.6. Assessment of risk components

a. Basic equation for assessment of risk components:

Each risk component RA, RB, RC, RM, RU, RV, RW and RZ may be expressed by the

following general equation:

RX = NX x PX x LX (2.5)

Where: NX is the number of dangerous events per annum; PX is the probability of

damage to a structure; LX is the consequent loss.

b. Assessment of risk components due to flashes to the structure (S1):

1. Component related to injury to living beings by electric shock (D1):

RA = ND x PA x LA (2.6)


Number of dangerous events ND for the structure may be evaluated as the product:

ND = NG x AD x CD x 10-6 (times/km2/year) (2.7)

Trong đo: NG is the lightning ground flash density (times/km2/year); AD is the

collection area of the structure (m2); CD is the location factor of the structure, Table 1-

Annex 1.

- For an isolated rectangular structure with length L, width W, and height H on flat

ground, the collection area is then equal to:

AD = L x W+2 x (3H) x (L+W)+π x (3H)2 (m2) (2.8)

- The values of probability PA of shock to living beings due to touch and step voltage

by a lightning flash to the structure, depend on the adopted LPS and on additional

protection measures provided:

PA = PTA x PB (2.9)

Where: PTA depends on additional protection measures against touch and step

voltages, Table 2 - Annex 1; PB depends on the lightning protection level, Table 3 - Annex

1.

2. Component related to physical damage (D2):

RB = ND x PB x LB (2.10)

3. Component related to failure of internal systems (D3):

RC = ND x PC x LC (3.11)

The probability PC that a flash to a structure will cause a failure of internal systems

is given by:

PC = PSPD x CLD (2.12)

Where: PSPD depends on the coordinated SPD and the lightning protection level

(LPL) for which its SPDs are designed, Table 4 - Annex 1; CLD is a factor depending on

shielding, grounding and isolation conditions of the line to which the internal system is

connected, Table 5 - Annex 1.

c. Assessment of the risk component due to flashes near the structure (S2):

Component related to failure of internal systems (D3):

RM = NM x PM x LM (2.13)

NM may be evaluated as the product:

NM = NG x AM x10-6 (times/km2/year) (2.14)

Where: NG is the lightning ground flash density (times/km2/year); AM is the collection area

of flashes striking near the structure (m2), The collection area AM extends to a line located

at a distance of 500 m from the perimeter of the structure:

AM = 2 x 500 x (L+W) x π x 5002 (m2) (2.15)

The value of PM is given by:

PM = PSPD x PMS (2.16)

For internal systems with equipment not conforming to the resistibility or withstand

voltage level given in the relevant product standards, PM = 1 should be assumed.

The values of PMS are obtained from the product:

PMS = (KS1 x KS2 x KS3 x KS4)2 (2.17)

Where: KS1 takes into account the screening effectiveness of the structure, LPS or other

shields at boundary LPZ 0/1; KS2 takes into account the screening effectiveness of shields

internal to the structure at boundary LPZ X/Y X/Y (X>0, Y>1); KS3 takes into account the

characteristics of internal wiring; KS4 takes into account the impulse withstand voltage of

the system to be protected.

d. Assessment of risk components due to flashes to a line connected to the structure (S3):

1- component related to injury to living beings by electric shock (D1):

RU = NL x PU x LU (3.18)


For each section of line, the value of NI may be evaluated by:

NL = NG x AL x Cl x CE x CT x 10-6 (times/km2/year) (2.19)

Where: NG is the lightning ground flash density (times/km2/year); AL is the collection area

of flashes striking the line (m2); Cl is the installation factor of the line, Table 6 - Annex 1;

CT is the line type factor, Table 7 - Annex 1; CE is the environmental factor, Table 8 -

Annex 1.

With the collection area AL for flashes to a line:

AL = 40 x LL (m2) (2.20)

Where: LL is the length of the line section (m).

- The values of probability PU of injury to living beings inside the structure due to

touch voltage by a flash to a line entering the structure depends on the characteristics of

the line shield, the impulse withstand voltage of internal systems connected to the line, the

protection measures like physical restrictions or warning notices and the isolating

interfaces or SPD(s) provided for equipotential bonding at the entrance of the line.

The value PU is given by:

PU = PTU x PEB x PLD x CLD (2.21)

Where: PTU depends on protection measures against touch voltages, such as physical

restrictions or warning notices, Table 9 - Annex 1; PEB depends on lightning equipotential

bonding (EB) conforming to EN 62305-3 and on the lightning protection level (LPL) for

which its SPDs are designed, Table 10 - Annex 1; PLD is the probability of failure of internal

systems due to a flash to the connected line depending on the line characteristics, Table 11

- Annex 1; CLD is a factor depending on shielding, grounding and isolation conditions of

the line, Table 5 - Annex 1.

2- Component related to physical damage (D2):

RV = NL x PV x LV (2.22)

The values of probability PV of physical damage by a flash to a line entering the

structure depend on the characteristics of the line shield, the impulse withstand voltage of

internal systems connected to the line and the isolating interfaces or the SPDs provided for

equipotential bonding at the entrance of the line.

The value of PV is given by:

PV = PEB x PLD x CLD (2.23)

With the value of PEB in Table 10 - Annex 1, PLD Table 11 - Annex 1; CLD Table 5

- Annex 1.

3- Component related to failure of internal systems (D3):

RW = NL x PW x LW (2.24)

The values of probability PW that a flash to a line entering the structure will cause a

failure of internal systems depend on the characteristics of line shielding, the impulse

withstand voltage of internal systems connected to the line and the isolating interfaces or

the coordinated SPD system installed.

The value of PW is given by:

PW = PSPD x PLD x CLD (2.25)

With the value of PSPD in Table 4 - Annex 1, PLD Table 11 - Annex 1; CLD Table 5 -

Annex 1.

e. Assessment of risk component due to flashes near a line connected to the structure (S4):

Component related to failure of internal systems (D3):

RZ = Nl x PZ x LZ (2.26)

The value of Nl may be evaluated by:

Nl = NG x Al x Cl x CT x CE x 10-6 (times/km2/year) (2.27)


Where: NG is the lightning ground flash density (times/km2/year); Al is the collection

area of flashes to ground near the line (m2); Cl is the installation factor of the line, Table 6

- Annex 1; CT is the line type factor, Table 7 - Annex 1; CE is the environmental factor,

Table 8 - Annex 1.

With the collection area for flashes near a line:

Al = 4.000 x LL (m2) (2.28)

Where: LL is the length of the line section.

The values of probability PZ that a lightning flash near a line entering the structure

will cause a failure of internal systems depend on the characteristics of the line shield, the

impulse withstand voltage of the system connected to the line and the isolating interfaces

or the coordinated SPD system provided.

The value of PZ is given by:

PZ = PSPD x PLI x CLI (2.29)

Where: PSPD Table 4 - Annex 1; CLI Table 5 - Annex 1; PLI is the probability of failure of

internal systems due to a flash near the connected line depending on the line and equipment

characteristics, Table 12 - Annex 1.

f. Summary of risk components:

Risk components for structures are summarized in Table 24 - Annex 1 according to

different types of damage and different sources of damage.

2.1.2. Risk assessment of damages due to lightning according to AS/NZS 1768

standard 2.1.2.1. Scope

This Section is applicable to the management of risk caused by lightning discharges

to ground.

The object of this section is to give a procedure for evaluation of the risk to a

structure, people and installations or equipment in, on or connected to the structure. This

evaluation considers mechanical damage of the structure and contents, damage and failure

of equipment, potential differences causing step and touch injuries to people and fire

damage that may result from the lightning discharge.

The procedure involves the comparison of the evaluated risk to the tolerable or

acceptable limit of the risk and allows for the selection of appropriate protective measures

to reduce the risk to below the tolerable limit.

2.1.2.2. Types of risk due to lightning

The types of risk due to lightning for a particular structure or facility may include

one or more of the following: R1 is the risk of loss of human life; R2 is the risk of loss of

service to the public; R3 is risk of loss of cultural heritage; R4 is risk of loss of economic

value.

2.1.2.3. Tolerable values of risk

For each type of loss due to lightning, a value of the tolerable risk Ra needs to be

specified. Typical values of the tolerable or acceptable risk Ra are given in Table 29 -

Annex 1.

For a loss of economic value, the tolerable risk, Ra may be fixed by the facility owner

or user, often in consultation with the designer of the protection measures, based on

economic or cost considerations.

2.1.2.4. Damage due to lightning

a. Causes of damage:

The following causes of damage, relating to the proximity of the lightning strike, are

taken into account: C1 direct strike to the structure; C2 strike to the ground near the


structure; C3 direct strike to a conductive service line; C4 strike to ground near a

conductive service line.

b. Types of damage:

For practical applications of risk assessment it is useful to distinguish between three

basic types of damage, which can appear as the consequence of a lightning strike. They are

as follows: D1 is injury to people due to touch and step voltages and side flash contact.;

D2 is fire, explosion, mechanical destruction, chemical release due to physical effects of

the lightning channel; D3 is failure of electrical and electronic systems due to overvoltages.

c. Consequences of damage:

For a particular facility or structure, the following consequences of damage due to

lightning or types of loss should be taken into account: L1 Loss of human life; L2 Loss of

services to the public; L3 Loss of cultural heritage; L4 Loss of economic value (structure,

content and loss of activity).

3.1.2.5. Risks due to lightning

a. Risk components:

The total risk R is made up of the sum of a number of risk components as listed

below:

C1 - Lightning strikes directly to the structure may generate:

Component Rh due to touch and step voltages outside the structure (mainly around

down conductors) causing shock to living beings (D1).

Component Rs due to mechanical and thermal effects of the lightning current or by

dangerous sparking causing fire, explosion, mechanical and chemical effects inside the

structure (D2).

Component Rw due to overvoltages on internal installations and incoming services

causing failure of electrical and electronic systems (D3).

C2 - Lightning strikes to ground near the structure may generate:

Component Rm due to overvoltages on internal installations and equipment (mainly

induced by the magnetic field associated with the lightning current) causing failure of

electrical and electronic systems (D3).

C3 - Lightning strikes directly to conductive electrical service lines may generate:

Component Rg due to touch overvoltages transmitted through incoming services

causing shock of living beings inside the structure (D1).

Component Rc due to mechanical and thermal effects including dangerous sparking

between external installation and metallic parts (generally at the point of entry of the line

into the structure) causing fire, explosion, mechanical and chemical effects on the structure

and its content (D2).

Component Re due to overvoltages transmitted through incoming lines to the

structure, causing failure of electrical and electronic systems (D3).

C4 - Lightning strikes to ground near the line conductors may generate:

Component Rl due to induced overvoltages, transmitted through incoming lines,

causing failure of electrical and electronic systems (D3).

For each type of loss, the total value of the risk due to lightning, R, may be expressed

in the following ways:

- With reference to the type of lightning strike:

R = Rd + Ri (2.34)

Where:

Risk due to direct strikes to the structure: Rd = Rh + Rs + Rw (2.35)

risk due to indirect strikes to the structure (including direct and indirect strikes to service

lines): Ri = Rg + Rc + Rm + Re + Rl (2.36)


- With reference to the types of damage:

R = Rt + Rf +Ro (2.37)

Where:

Risk due to shock to living beings (D1): Rt = Rh + Rg (2.38)

Risk due to fire, explosion, mechanical destruction and chemical release (D2):

Rf = Rs + Rc (2.39)

Risk due to the failure of electrical and electronic systems due to overvoltage (D3):

Ro = Rw + Rm + Re + Rl (2.40)

b. Calculation of risk components:

Each component of the risk Rx depends on the number of dangerous events Nx, the

probability of damage Px and the damage factor dx. The value of each component of risk

Rx may be calculated using an expression similar to that shown below:

Rx = Nx x Px x δx (2.41)

The damage factor δx represents the mean damage and takes into account the type of

damage, its extent, and the consequential effects which may occur as the result of a

lightning strike. The damage factors are related to the structure’s function or use and may

be determined from the following approximate relations:

c. Components due to lightning strikes directly to the structure (C1):

1- Component Rh:

Component Rh due to touch and step voltages outside the structure (mainly around

down conductors) causing shock to living beings (D1):

Rh = Nd x *Ph x δh (2.46)

- The number of times lightning strikes directly causing dangerous incidents for the

structure Nd can be determined as follows:

Nd = NG x Ad x CD x10-6 (times/km2/year) (2.47)

- Collection area for lightning strike to the structure Ad:

Ad = L x W + 6 x H x (L + W) + 9 x π x H2 (m2) (2.48)

- Probability value *Ph due to touch and step voltages may cause electric shock to

people outside the structure: *Ph= k1 x Ph x Ps (2.49)

Where: NG is the lightning ground flash density (times/km2/year); Ad is the collection area

of the structure (m2); CD is the location factor of the structure; k1=1- E , E is efficiency of

lightning protection system on the structure, Table 1 - Annex 2; Ph is the probability that

lightning will cause a shock to animals or human beings outside the structure due to

dangerous step and touch potentials. (Ph=0,01); Ps is the probability of a dangerous

discharge based on structure type, Table 2 - Annex 2.

2- Component Rs:

Component due to mechanical and thermal effects of the lightning current or by

dangerous sparking causing fire, explosion, mechanical and chemical effects inside the

structure (D2).

Rs = Nd x Ps x δf x kh (2.50)

- Probability value Ps is determined as follows:

Ps = kf x pf x (k1 x ps + Pewd) (2.51)

- Probability that external wiring carries a surge from structure that causes physical

damage:

Pewd = k5 x Petc (2.52)

The total probability of external wire carrying a surge causes physical damage (if

Petc > 1 then Petc = 1):

Petc = Pe0 +noh x Pe1 + nug x Pe2 (2.53)


Where: Nd is the average number of times lightning strikes directly causing damage to the

structure; δf is the factor of damage factor for fire; kh is creasing factor applied to damage

factor for fire and overvoltage when risk of loss of human life is aggravated by special

hazards; kf is reduction factor for fire protection measures; ps is probability of a dangerous

discharge based on structure type; Probability that a dangerous discharge will initiate a fire,

explosion, mechanical destruction or chemical release; k5 is the reduction factor for surge

protective device on entry point of service line (Table 5 - Annex 2); Pe0 Probability of

dangerous discharge based on external wiring type; Pe1 Probability of dangerous discharge

based on external wiring type; Pe2 Probability of dangerous discharge based on external

service type.

3- Component Rw

Component Rw due to overvoltages on internal installations and incoming services

causing failure of electrical and electronic systems (D3):

Rw = Nd x Pw x δo x kh (2.54)

Where: Nd is the average number of times lightning strikes directly causing damage to the

structure; δo is the factor of damage factor due to overvoltage; kh is creasing factor applied

to damage factor for fire and overvoltage when risk of loss of human life is aggravated by

special hazards.

Pw = 1 – (1- k1 x Ps x Pi x k2 x k3 x k4 x kw) x (1 - Pwedo) (2.55)

Where: Pi is the probability of a dangerous discharge based on internal wiring type, Table3

- Annex 2; k2 is the reduction factor for isolation equipment on internal equipment. (k2=1);

k3 is the reduction factor for surge protective device on input of equipment in Table3 -

Annex 2; k4 is the reduction factor for isolation equipment at entry point of service line

(k4=1); kw is the correction factor for impulse level of equipment (kw=1).

Probability that external wiring carries a surge from structure that causes a damaging

overvoltage to internal equipment:

Pwedo = kw x k2 x k3 x k4 x k5 x Petc (2.56)

With Petc is the total probability that external wiring carries a surge from structure

that causes a physicall damages.

d. Components due to lightning strikes to the ground near the structure:

Component Rm due to overvoltages on internal installations and equipment (mainly

induced by the magnetic field associated with the lightning current) causing failure of

electrical and electronic systems (D3)

Rm = Nm x Pm x δo x kh (2.57)

- The number of times lightning strikes near the structure causing dangerous incidents

for the structure Nm can be determined as follows:

Nm = NG x Am x 10-6 (times/km2/year) (2.58)

- Collection area for lightning strike near the structure:

Am = L x W + 2 x 250 x (L + W) + π x 2502 (m2) (2.59)

- Probability value Pm is determined as follows:

Pm = k1 x k2 x k3 x kw x Ps x Pi (2.60)

Where: NG is the lightning ground flash density (times/km2/year); δo is the factor of damage

factor due to overvoltage; kh is creasing factor applied to damage factor for fire and

overvoltage when risk of loss of human life is aggravated by special hazards; k5 is the

reduction factor for surge protective device on entry point of service line.


e. Components due to lightning strikes directly to conductive electrical service lines:

1- Component Rg:

Component Rg due to touch overvoltages transmitted through incoming services

causing shock of living beings inside the structure (D1).

Rg = Pg x ( Nc1p x Pc1p + Nc1 x Pc1 + Nc2p x Pc2p + Nc2 x Pc2) x δg (2.61)

- The number of times lightning strikes to the overhead power lines Nc1p can be

determined as follows:

Nc1p = NG x Ac1 x Ct0 x Cs (times/km2/year) (2.62)

- The number of times lightning strikes to the others overhead lines Nc1 can be


Nc1 = NG x Ac1 x Ct1 x Cs (times /km2/year) (2.63)

- Collection area for overhead power lines Ac1:

Ac1 = 2 x Dc1 x Lc1 (m2) (2.64)

Dc1 = 3 x Hc1 (m) (2.65)

- The number of times lightning strikes to the underground power lines Nc2p can be


Nc2p = NG x Ac2 x Ct0 x Cs (times /km2/year) (2.66)

- The number of times lightning strikes to the others underground lines Nc2 can be


Nc2 = NG x Ac2 x Ct0 x Cs (times /km2/year) (2.67)

- Collection area for other underground lines Ac2:

Ac2 = 2 x Dc2 x Lc2 (m2) (2.68)

2 20,2.cD (m)

(2.69)

- Probability of direct lightning strikes to overhead power lines:

Pc1p = nohp x k5 x Peo (2.70)

- Probability of direct lightning strikes to others overhead service lines:

Pc1 = noh x k5 x Pe1 (2.71)

- Probability of direct lightning strikes to underground power lines:

Pc2p = nugp x k5 x Peo (2.72)

- Probability of direct lightning strikes to others underground service lines:

Pc2 = nug x k5 x Pe2 (2.73)

Where: NG is the lightning ground flash density (times/km2/year); Ct0 is the correction

factor when using a transformer for a power lines; Ct1 is the correction factor when using a

transformer for others overhead lines; Cs is the line density coefficient; Lc1 is the length of

the overhead service line (m); Lc2 is the length of underground service lines (m); 2 is the

soil resistance of the area (Ωm); Hc1 is the high of service line (m); nugp is the number of

underground power lines connected to the structure; noh is the number of other lines not

connected to the structure; Pg is the number of others overhead lines connected to the

building; δg is the damage factor for step and touch potential inside structure.

2- Component Rc:

Component Rc due to mechanical and thermal effects including dangerous sparking

between external installation and metallic parts (generally at the point of entry of the line

into the structure) causing fire, explosion, mechanical and chemical effects on the structure

and its content (D2).

Rc1 = kf x pf x (Nc1p x Pc1p + Nc1 x Pc1 + Nc2p x Pc2p + Nc2 x Pc2) x δo x kh (2.74)

3- Component Re:

Component Re due to overvoltages transmitted through incoming lines to the

structure, causing failure of electrical and electronic systems (D3).

Re1 = kw x k2 x k3 x k4 x ( Nc1p x Pc1p + Nc1 x Pc1 + Nc2p x Pc2p + Nc2 x Pc2) x δo x kh (2.75)


C4 - Lightning strikes to ground near the line conductors may generate:

f. Components due to (C4):

Component Rl due to induced overvoltages, transmitted through incoming lines,

causing failure of electrical and electronic systems (D3):

Rl = ( Nl1p x Pi1p + Nl1 x Pi1 + Nl2p x Pi2p + Nl2 x Pi2) x δo x kh (2.76)

Where:

- Average number of strikes to ground near the overhead power line per year that

cause potentially dangerous induced voltages:

Nl1p = NG x Al1 x Ct0 x Cs (times /km2/year) (2.77)

- Average number of strikes to ground near other conductive overhead line per year

that cause potentially dangerous induced voltages:

Nl1 = NG x Al1 x Ct1 x Cs (times /km2/year) (2.78)

- Average number of strikes to ground near the underground power cable per year

that cause potentially dangerous induced voltages:

Nl2p = NG x Ac2 x Ct0 x Cs (times /km2/year) (2.79)

- Average number of strikes to ground near other underground cable per year that

cause potentially dangerous induced voltages:

Nl2 = NG x Al2 x Ct2 x Cs (times /km2/year) (2.80)

- Collection area for induced overvoltages due to strikes to ground near the overhead

line:

Al1 = 2 x Dl1 x L1 (m2) (2.81)

Dl1 = 500 x 1 (m)

(2.82)

- Collection area for induced overvoltages due to strikes to ground near the

underground cable:

Al2 = 2 x Dl2 x L2 (m2) (2.83)

Dl2 = 250 x 2

(m)

(2.84)

- Probability an indirect strike near the overhead power line will cause a damaging


Pi1p = nohp x kw x k2 x k3 x k4 x k5 x pe0 (2.85)

- Probability an indirect strike near other overhead line will cause a damaging


Pi1 = nohp x kw x k2 x k3 x k4 x k5 x pe1 (2.86)

- Probability an indirect strike near the underground power cable will cause a

damaging overvoltage to internal equipment:

Pi2p = nugp x kw x k2 x k3 x k4 x k5 x pe0 (2.87)

- Probability an indirect strike near other underground cable will cause a damaging


Pi2 = nug x kw x k2 x k3 x k4 x k5 x pe2 (2.88)

2.1.2.6. Procedure for risk assessment and management

a. Procedure for risk assessment:

1- Identification of the structure or facility to be protected.

2- Determination of all the relevant physical, environmental and service installation

factors applicable to the structure.

3- Identification of all the types of loss relevant for the structure or facility.

4- For each type of loss relevant to the structure, determine the relevant damage

factors δx and special hazard factors.

5- For each type of loss relevant to the structure, determine the maximum tolerable

risk Ra.

6- For each type of loss relevant to the structure, calculate the risk due to lightning:


i. identify the components Rx which make up the risk.

ii. calculate the identified components of risk Rx.

ii. calculate the total risk due to lightning, R.

7- Compare the total risk R with the tolerable value Ra for each type of loss relevant

to the structure.

If R Ra (for each type of loss relevant to the structure) lightning protection is not

necessary.

If R >Ra (for any type of loss relevant to the structure) the structure shall be equipped

with protection measures against lightning.

b. Protection against direct lightning strikes if Rd > Ra:

When the risk due to direct lightning strikes is greater than the acceptable risk

(Rd>Ra), the structure shall be protected against direct lightning strikes with a suitable

lightning protection system (LPS).

To determine the required protection level, the final calculation for the protected

structure may be repeated successively for the protection levels IV, III, II, I until the

condition Rd≤ Ra is fulfilled. If a LPS of protection level I cannot fulfill this condition,

consider surge protection on all incoming conductive electrical service lines (power,

telecom, coaxial cables) at the point of entry to the structure or other specific protection

measures according to the values of the risk components. These may include:

1- measures limiting touch and step voltages;

2- measures limiting fire propagation;

3- measures to mitigate the effects of lightning induced overvoltage (additional,

coordinated surge protection or isolation transformers);

4- measures to reduce the incidence of dangerous discharges.

c. Protection against indirect lightning strikes if Rd ≤ Ra but Ri > Ra:

When Rd ≤ Ra, then the structure is protected against direct lightning strikes. However, if

the risk due to indirect strikes is greater than the acceptable risk (Ri>Ra), then the structure

must be protected against the effects of indirect lightning strikes. Possible protection

measures include:

1- Suitable application of Surge protective devices (SPDs) on all external

conductive electrical service lines (power, telecom, coaxial cables) at the point of entry to

the structure (primary or point of entry surge protection)

2- Suitable application of SPDs on all internal equipment (secondary surge

protection at the equipment)

d. Final check if Rd + Ri >Ra:

When Rd ≤ Ra and Ri ≤ Ra it is still possible that the total risk R = Rd + Ri > Ra.

In this case, the structure does not require any specific protection against direct

lightning strikes or against overvoltage due to nearby strikes or transmitted through the

incoming lines.

However, since R > Ra, protection measures shall be taken to reduce one or more

risk components to reduce the risk to R ≤ Ra. Critical parameters have to be identified to

determine the most efficient measure to reduce the risk R.

For each type of loss there is a number of protection measures which, individually

or in combination, may make the condition R ≤ Ra.

Those measures which make R ≤ Ra for all the types of loss must be identified and

adopted with due consideration of the associated technical and economic issues.

2.1.3. Shielding factor and the number of strikes on the overhead power line

according to IEEE 1410 standard


Lightning may have a significant effect on a line’s reliability, especially if the poles

are higher than the surrounding terrain. The number of strikes on the overhead power line,

is estimated by equation: 0,6

g

28h bN N ( )

10

(times/km2/year) (2.89)

Where: N is the number of strikes to the overhead power line (times /km2/year); Ng is the

lightning ground flash density (times/km2/year); h is the height of the line at the top of the

pole (m); b is the distance between two outer phase wires (m).

The ability of lightning strike to the lines depends significantly on the objects (trees,

buildings) located along the lines. The influence of objects near the line to the number of

times the lightning strikes directly on the overhead line is expressed through the shielding

factor Sf, the Sf is determined based on the distance from the external power line to

shielding objects based on Figure 2.1. Then, the number of times of lightning strikes to

overhead power line NS (times/km2/year) takes into account the shielding factor presented

by the expression: 0,6

s f g f g f

28h bN N(1 S ) N ( )(1 S ) N C

10

(2.90)

With Cf is the line coefficient related to the surrounding shielding:

Cf = (28h-0,6+b).(1- Sf).10-1 (2.91)

Figure 2.1: Shielding factor by objects near the overhead line [6]

2.2. Improved method of risk assessment of damages due to lightning

2.2.1. Reason to improve In the risk assessment standards as mentioned in section 2.1.1, 2.1.2, 2.1.3, each of

the standard has the advantages and approaches of risk assessment according to those

different directions.

IEC 62305-2 is an international standard with a more general level of risk

assessment that can be applied to many different structure in different regions. However,

in the process of calculating the standard risk assessment IEC 62305-2 [1], there are some

factors are retrieved from the lookup tables, not detailed in some input parameters but other

criteria have been considered, such as: Probability of a dangerous discharge based on

structure type [3]; the number of service lines connected to the structure [3] and the factor

related to the characteristics of the line (the height of the pole, the distance between the

two outer phase wires) takes into account the shielding object around the line [6].

AS/NZS 1768 [3] is based on the principles of risk assessment due to lightning

according to IEC 61662 standard but has been simplified, reducing the number of input

parameters so simple calculation method, because this is the standard that applies to the

country. However, in the risk calculation of the standard, there are a number of calculation


components that are calculated in detail for the types of structure taking into the different

construction materials and the number of service connection lines.

IEEE 1410 standard [6] is the standard of the American Association of Electrical

and Electronic Engineers, when calculating the number of lightning strikes on the power

line, the characteristics of the power line (the height of the pole, the distance between the

two outer phase wires), the object shielding around the line.

With the above analysis, it is found that the method of risk assessment of damages

due to lightning according to IEC 62305-2 [1] is more popular, international in comparison

with the other two standards. Therefore, the IEC 62305-2 standard was chosen as the basis

for the study to propose methods to improve the calculation and risk assessment of damages

due to lightning.

2.2.2 Determine the value of coefficients with the detailed calculation level which are

referenced and proposed from the AS/NZS 1768 and IEEE 1410 standard.

2.2.2.1. The probability of a dangerous discharge based on structure material types when

calculating the probability of PA for the risk component of RA

In standard [1], when calculating risk components related to human life's damage

by electric shock due to lightning strikes on structure RA. The probability of injury to living

beings by electric shock by step and touch voltages due to lightning strikes on structure PA

only consider two components:

- PTA is the probability depends on additional protection measures against touch and

step voltages, Table 2 - Annex 1.

- Pb is the probability depends on the lightning protection level, Table 3 - Annex 1.

The probability PA is calculated according to the expression (2.9).

In the standard [3], when calculating a risk component by touch and step voltages

to living beings outside the building due to lightning strikes on structure Rh (Rh equivalent

to the risk component of RA in the standard [1]). The value of probability by touch and step

voltages due to lightning strikes on structure Ph (Ph is equivalent to PA in standard [1]) but

takes into account three components (in addition to 2 components equivalent to calculating

PA [1], consider Ps component, specifically: - Ph Probability that lightning will cause a shock to animals or human beings outside

the structure due to dangerous step and touch potentials (Ph = PTA in standard [1]);

- k1 is the coefficient that depends on lightning protection system level when lightning

strike on structure (coefficient k1 = PB in standard [1]) with k1=1- E and E is efficiency of

lightning protection system on the structure, Table 1 - Annex 2;

- Ps is the probability of a dangerous discharge based on structure type, Table 2 -

Annex 2. The probability value Ph is defined as in the expression (2.49).

Through specific analysis of the standard [1] and [3], when lightning strikes on the

structure, the construction material of the structure is also one of the important factors that

directly affect the level of risk causing damage to human life inside the building, the

calculation of the PA probability for the risk of RA component in the standard [1] needs to

be further elaborated the probability of a dangerous discharge based on structure type Ps is

referenced from the standard [3]. The probability value of PA is determined by the

following expression:

PA = PTA x PB x Ps (2.92)

In the expression (2.92) the PTA value is determined according to Table 2 - Annex

1, the PB value is determined, Table 3 - Annex 1, the determined Ps value, Table 2 - Annex

2.

2.2.2.2. The shielding factor when calculating the number of lightning strikes directly and

indirectly on the service line connecting to the structure


In the standard [1], when calculating the number of direct lightning strikes, such as

in the expression (2.19) and the number of indirect lightning strikes Nl as in the expression

(2.27) for the overhead power lines mentioned the installation factor of the line C l, line

type factor CT and environment factor CE are retrieved from the lookup table (Table 8 -

Appendix 1) depending on the line installed in rural or suburban , urban or urban areas with

surrounding structures higher than 20m.

In the IEEE 1410 standard [6], when calculating the number of lightning strikes

directly on the service line which is determined by the expression (2.90) taking into account

the lightning density, the way to install the power line and the shielding objects near the

power line. In which, Cf is the factor of how to install the power line and shielding objects

near the power line determined by the expression (2.91).

Based on the content of the CE factor analysis of the standard [1] and the Cf factor

of the standard [6], the meaning of the two factors is the same but the value of Cf in the

standard [6] detailed calculation and compliance with the actual conditions of the power

line than the CE value from the lookup table. Therefore, in order to calculate the number of

lightning strikes directly and indirectly on the power line in accordance with the actual

conditions at the place where the line is installed, the CE factors are proposed by the Cf

factor with the calculated level details in the expression (3.91) are referenced from standard

[6] to replace expressions (3.19) and (3.27) to calculate:

The number of the lightning strikes directly on the overhead line is determined by

the expression (2.93):

NL = NG x AL x Cl x Cf x CT x 10-6 (times/km2/year) (2.93)

The number of the lightning strikes indirectly on the overhead line is determined by

the expression (2.94):

Nl = NG x Al x Cl x Cf x CT x 10-6 (times /km2/year) (2.94)

2.2.2.3. Number of service lines when calculating probability related to lightning strikes

directly and indirectly on service lines connecting to the structure

In the standard [1], when calculating the risk related injury to living beings due to

electric shock when lightning strikes directly on service lines connecting to the structure

for the RU risk component. The value of the probability of lightning strike to the service

lines directly causes the surge into the structure causing damage to human life PU, the PU

probability value is calculated by the expression (2.21).

When calculating risks related to physical damage when lightning strikes directly

on service lines connecting to structure risk component RV. In the standard [1], the value

of the probability of lightning strike to the service lines directly causes material damage

PV, the PV probability value is calculated according to the expression (2.23).

Similarly, when calculating risks associated with damage to internal systems when

lightning strikes directly on service lines connecting to risk component RW. The probability

value of lightning strikes directly on service lines causes damage to the systems inside PW,

PW probability value is calculated according to the expression (2.25).

And when calculating risks associated with damage to internal systems while

lightning strikes near service lines connecting to the structure with risk component RZ, the

probability value of lightning near service lines causes failed systems inside the structure

PZ, PZ probability values are calculated according to the expression (2.29).

Meanwhile, in the standard [3], when calculating the risk factors caused by lightning

strikes directly or indirectly on service lines causing overvoltage on service lines entering

the structure: Rg component risk related to damage to life (Rg is equivalent to risk

component RU in standard [1]); Rc component risks related to physical damage (Rc is

equivalent to the PV risk component in the standard [1]); Re component risks involve


internal system failures due to direct lightning strikes on service lines (Re equivalent to RW

risk components in the standard [1]); The risk of Rl component relates to the failure of

internal systems due to indirect lightning strikes on service lines (Rl is equivalent to the RZ

risk component in the standard [1]). The probabilities of lightning hitting directly or

indirectly on service lines cause overvoltage on service lines entering the building

considering the number of overhead lines noh or the number or underground lines nug that

connect to the structure as in the expression (2.70), (2.71), (2.72), (2.73).

Therefore, if there are many service lines connecting to the structure on separate

lines, the probability of lightning strike directly or indirectly to the service lines will cause

overvoltage on the service lines go into the structure and the risk of damage due to lightning

will be different. In order to calculate in more detail according to actual conditions, the

calculated values of PU, PV, PW and PZ for component risks in the standard [1] need to

consider the number of connecting service lines connected to the structure [3] and the

proposed calculation is as follows:

PU/oh = PTU x PEB x PLD x CLD x noh (2.95)

PV/oh = PEB x PLD x CLD x noh (2.96)

PW/oh = PSPD x PLD x CLD x noh (2.97)

Pz/oh = PSPD x PLI x CLI x noh (2.98)

Expressions for the probability of PU, PV, PW and PZ for underground lines are as

follows:

PU/ug = PTU x PEB x PLD x CLD x nug (2.99)

PV/ug = PEB x PLD x CLD x nug (2.100)

PW/ug = PSPD x PLD x CLD x nug (2.111)

Pz/ug= PSPD x PLI x CLI x nug (2.102)

The factors of PTU, PEB, PLD and CLD are defined as in the standard [1]; Noh is the

number of overhead service lines and nug is the number of underground service lines

connected to a specified building in the standard [3].


2.2.2.4. Table of improved factors

Table 2.1: Table of improved factors

No. Additional

considerations/changes Standard [1] Reference standards Suggestions for improvement (*)

1

The probability of a dangerous

discharge based on structure

material types when calculating

the probability of PA for the risk

component of RA

PA = PTA . PB Standard [3]:

Ph= k1 x Ph x Ps PA = PTA x PB x Ps

2

The shielding factor when

calculating the number of

lightning strikes directly and

indirectly on the service line

connecting to the structure

NL = NG x AL x Cl x CE x CT x 10-6 Standard [6]:

NL = NG x Cf x 10-6

Vơi: Cf = (b + 28 x h0,6) x 10-1(1 - Sf)

NL = NG .AL .Cl. Cf .CT .10-6

Vơi: Cf = (b + 28.h0,6) x10-1(1 - Sf)

Nl = NG x Al x Cl x CE x CT x 10-6 Nl = NG x Al x Cl x Cf x CT x 10-6

Vơi: Cf = (b + 28 x h0,6) x 10-1(1 - Sf)

3

Number of service lines when

calculating probability related

to lightning strikes directly and

indirectly on service lines

connecting to the structure

PU = PTU x PEB x PLD x CLD

PV = PEB x PLD x CLD

(3.96)

PW = PSPD x PLD x CLD

Pz = PSPD x PLI x CLI

Standard [3]:

Pc1p = nohp x k5 x Peo

Pc1 = noh x k5 x Pe1

PU/oh = PTU x PEB x PLD x CLD x noh

PV/oh = PEB x PLD x CLD x noh

PW/oh = PSPD x PLD x CLD x noh

Pz/oh = PSPD x PLI x CLI x noh

Standard [3]:

Pc2p = nugp x k5 x Peo

Pc2 = nug x k5 x Pe2

PU/ug = PTU x PEB x PLD x CLD xnug

PV/ug = PEB x PLD x CLD x nug

PW/ug = PSPD x PLD x CLD x nug

Pz/ug= PSPD x PLI x CLI x nug (*) k1 is the reducing factor for lightning protection system level; Ph is the probability that lightning will cause a shock to animals or human beings outside the structure due

to dangerous step and touch potentials; Ps is the probability of a dangerous discharge based on structure type; Cf is the factor of how to install the power line and shielding

objects near the power line determined by the expression; Sf shielding factor; noh is the number of the overhead lines connected to the structure; nug noh is the number of the

undergound lines connected to the structure.


2.2.3. Procedure for risk assessment

Identify the types of loss relevant to the structure

Identify the structure to be

protected

For each type of loss determine the tolerable risk RT

Identify and calculate the risk components R = RD + RI

R > RT

Intall adequate protection measures to reduce R

Structure is protected YesYes

NoNo

Figure 2.2: Procedure for risk assessment

2.2.4. Calculation of the risk of damage due to lightning for the sample structure

2.2.4.1. Basic parameters of sample structure

Calculation of risk assessment of damage due to lightning for a commercial building in

Ho Chi Minh City; structure dimensions: 20×15×35m; lightning density: 12 (times/km2 /year),

no other buildings nearby; power line has a length of 200m, overhead; telecommunication

cable has a length of 1000m, underground .

ng dây đi n (trên không)

LP = 200m LT = 1000mW = 15m

H = 35m

ng dây vi n thông (đi ng m)

Figure 2.3: The structure need to assess the risk of damage due to lightning

2.2.4.2. The results of risk assessment

Steps to calculate the risk of damage due to lightning for the structure according to the

standard [1] and the improved method of risk assessment are proposed, the calculation results

are shown in Table 2.2.


Table 2.2: The risks value of the structure

Type of risk of damage IEC – 62305 [1] Improved method Errors (%)

Risk of loss of a human life R1 3,75.10-5 3,256.10-5 13%

Risk of loss of economic value R4 0,255 0,227 11%

2.2.5. The program calculates the risk assessment of damage caused by lightning The program calculates the risk assessment LIRISAS has the interface as shown in

Figure 4, based on the application of optimal parameters of risk assessment on a standard basis

[1] with improvement suggestions as shown in Table 2.1. The program allows users to enter

the necessary parameters related to the structure, the program will calculate the results of the

risk value of damage caused by lightning for the structure.

Figure 2.4: The interface of the program calculates the risk assessment of damage

caused by lightning LIRISAS

2.3. Conclusions On the basis of the calculation method of risk assessment due to lightning according to

IEC 62305-2, the improved method has a more detailed level, taking into account the factor:

probability of a dangerous discharge based on structure type, the number of service lines

connected to the structure, considering the way to install the line and shielding objects along

the power lines connected to the structure. The calculation results with the sample structure

show that there is a significant difference in the value of risk of loss of a human life

R1 (about 13% lower), and the value of risk of loss of economic R4 (about 11% lower).

Chiêu dai (m)

Chiêu rông (m) Chiêu dai (m) 200 Dang câu truc thi t hai vê con ng i Tât ca

Chiêu cao (m) Sô l ơng đ ng dây 1 Dang câu truc thi t hai vê vât chât Công nghiêp

Mât đô set khu vưc (l n/km2/năm) Cach lăp đăt Trên không Dang câu truc thi t hai h thông bên trong Không xem xet

Môi tr ng xung quanh câu truc Loai đ ng dây Ha thê/viên thông

Dang câu truc thi t hai vê vât chât Không xem xet

Bao v đ ng dây bên trong câu truc Không co che chăn

Vât li u xây dưng câu truc Dang câu truc thi t hai h thông bên trong Không xem xet

Vât li u san

Rui ro chay

Chiêu dai (m) 1000 Dang câu truc thi t hai vê vât chât Không xem xet

Bi n phap bao v phong chay

Sô l ơng đ ng dây 1

Xac suât phong đi n set gây chay

Cach lăp đăt Đi ngâm

H sô suy giam phong chay Dang câu truc thi t hai vê vât nuôi Tât ca

Loai đ ng dây Ha thê/viên thông

Mưc đô hoan sơ khi co sư cô Dang câu truc thi t hai vê vât chât Thương mai

Bi n phap nôi đât, cach ly theo IEC 62305-4 Không co

Câp đô bao v chông set Dang câu truc thi t hai h thông bên trong Trường học, thương mai

Bao v đ ng dây bên trong câu truc Không co che chăn

Câp đô SPD đ ơc thiêt kê

SPD ơ ngo vao đ ng dây dich vu

SPD ơ ngo vao thiêt bi

Thiêt hai vê dich vu Thiêt hai vê di san văn hoa Thiêt hai vê gia tri kinh tê

Gia tri rui ro tinh toan

Gia tri rui ro châp nhân đ ơc

Phương phap cai tiên theo tiêu chuân IEC-62305

0

15

Không co

Đường dây viên thông

Đăc điêm cua câu truc va cac biên phap bao vê

Không co

Bêtông côt thep

Thiêt hai vê gia tri kinh tê

Không co

Không co

Mức thâp

Không có

Kich thươc câu truc va cac yêu tô môi trường

Đường dây điên20

35

0.00010.00001 0.001

Cac dang rui ro

Thiêt hai vê con người

Đường dây dich vu

0.227689303.25678E-05

12

Cô lâp

Không co

Thâp

Không co

Thâp

Gach ceramic

Thiêt hai vê con người

Kêt qua tinh toan mức đô rui ro

Thiêt hai vê dich vu

Thiêt hai vê di san văn hoa

0.001

CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ RUI RO THIÊT HAI DO SET LIRISAS

Bi n phap nôi đât, cach ly theo IEC 62305-4


Chapter 3

IMPROVED SURGE GENERATOR MODEL AND SURGE

PROTECTIVE DEVICE MODEL ON THE

LOW VOLTAGE POWER LINE

3.1. Surge generator model

3.1.1. The reasons for improving Up to now, there are many domestic and international research projects on lightning

surge generator model but only focus on each type of lightning surge separately and have

relatively large errors compared to standard lightning surges. Meanwhile, the inspection of the

type of lightning protection devices on the low voltage power lines should be carried out with

many different types of lightning surges. Therefore, the study proposes an improved lightning

pulse model that produces many different types of lightning surges, which are highly accurate

compared to standard lightning surges to facilitate the use of equipment testing is necessary.

3.1.2. Mathematical model

3.1.2.1. Mathematical model of Heidler

The Heidler equation is used to describe lightning surges [57]:

i(t) = I0

η(t/τ1)10

1+(t/τ1)10 e(−t/τ2) (3.1)

Where I0 is the value of peak current (kA), η is the correction factor for the peak current τ1 is

the front time constant, τ2 is the tail time constant.

Parameters τ1, τ2 and are determined by the time of increase of tds and the time of

reduction of ts of the lightning current surge.

The rise and fall time of lightning current surge form is specified as follows:

tds = 1,25(t2 – t1) (3.2)

ts = t5 – t1+0.1tds (3.3)

3.1.2.2. Determine parameters for Heidler's equation:

The current is considered to be the product of two time-response functions (increasing

time function x(t) and decrease time function y(t)). Establish the function of the current as

follows [64]:

i(t) = I0.x(t).y(t) (3.4)

Where: x(t) = (t/τ1)10

1+(t/τ1)10 y(t) = e(−t/τ2)

Applying the approximation method during increasing current surge, the value of

current function decreases y(t)=1. Similarly, when the current is reduced, the value of the

current function increases x(t)=1 [64].

In the process of increasing current (wave phase), equation (3.1) takes the form:

i(t)=I0

η(t/τ1)10

1+(t/τ1)10 e(−t/τ2) (3.5)

At t = t1 the current value i(t) = 0,1I, inferred:


10101 1

1 110

1 1

t / τ0,1 0,9 t / τ 0,1

t / τ 1

(3.6)

Hence: 101 1t 1 / 9.τ (3.7)

And at t = t2 the current value i(t) = 0,9I0, inferred:

10102 1

2 110

2 1

t / τ0,9 0,1 t / τ 0,9

t / τ 1

(3.8)

Hence: 102 1t 9.τ (3.9)

From there: 10 10

2 1 ds 1t t 0,8t ( 9 1/ 9).τ

(3.10)

ds10 10

0,8.tdsτ = 1,88t1 ( 9 - 1/ 9)

(3.11)

Similarly, in the process of current attenuation current, the current function is

determined approximately by the following expression:

i(t) = I0 e(−

t

τ2) (3.12)

When t = t5 the current value i(t) = 0,5I0

Hence:

I0 e(−

t5τ2

) = 0.5I0 (3.13)

t5

τ2 = ln2

(3.14)

τ2 =

t5

ln2 (3.15)

When t > 0, x(t) < 1, the maximum current is lower than I0. Therefore, the peak current

correction factor η is determined by the value calculation formula (3.16) [57]:

101 2 2 1τ /τ . 10τ /τ

1η

e

(3.16)

Calculated results τ1, τ2, η according to the expressions (3.11), (3.15) and (3.16),

corresponding to the different types of lightning impulses presented, Table 3.1.

Table 3.1: Calculated parameter values with standard lightning current surge

tds(µs) ts(µs) 𝛕𝟏(s) 𝛕𝟐(s) η ta(s) tb(s) e1(%) e2(%)

10 350 1.8800e-05 4.9052e-04 9.3533e-01 9.8750e-06 3.6039e-04 1.25 2.97

1 5 1.8800e-06 5.7708e-06 6.3204e-01 8.7500e-07 5.4875e-06 12.5 9.8

4 10 7.5200e-06 8.6562e-06 3.2983e-01 3.1250e-06 1.1013e-05 21.88 10,13

8 20 1.5040e-05 1.7312e-05 3.2983e-01 6.2500e-06 2.1825e-05 21.88 9.0

Where: ta is the front time calculation, tb is the tail time calculation, η is the correction factor, e1, e2 is respectively error of front and tail time.

e1= 100% −𝑡𝑎∗100%

𝑡𝑑𝑠 e2= 100% −

𝑡𝑏∗100%

𝑡𝑠


Comment: lightning surge types of 1/5µs, 4/10µs, 8/20µs have the errors exceeding the

permissible value for the front and tail time error of the standard lightning surge.

With errors of 3 types of lightning surge in Table 3.1, the method of compensation for

error generated to perform the correction and use of the assumptions function 10(t / τ )1x(t) = 1

10(t / τ ) +11

and 2

-t /τ( )y(t) = e 1 is used when calculating. Because of the functions

x(t) and y(t) both are smaller than 1 so the correction must be done so that values 1τ , 2τ make

the value of the functions x(t) and y(t) decreased.

For function 10(t / τ )1x(t)

10(t / τ ) +11

decreases when 10(t / τ )1

decreases, 1τ increases, otherwise,

2-t /τ( )

y(t) = e decreases when 2τ decreases.

The process for adjusting is according to 5 steps as follows:

Step 1: Find the value 1τ , 2τ according to the expression (3.11) and (3.15).

Step 2: Calculate the errors e1, e2

Step 3: Recalibrate 1τ , 2τ to increase 1τ and decrease 2τ

Step 4: Recalculate the errors e1, e2

Step 5: Compare values of new errors e1, e2 and values of old e1 and e2 errors. If the

new e values are smaller than the old e values, stop, if the new e values are greater than

the old e values, go back to Step 3.

The correction algorithm is shown in Figure 3.1 and the calculation results are

presented in Table 3.2.

Calculate the errors τ1, τ2

Find the value τ1, τ2 according to the

expression (3.11) and (3.15)

Recalibrate to increase τ1 and decrease τ2

e1, e2 meet standard

errors

Exit

YesYes

NoNo

Recalculate the errors e1, e2

Figure 3.1: Flowchart for correcting errors


Table 3.2: Error results after adjustment

tds(µs) ts(µs) 𝝉𝟏 𝝉𝟐 ta(s) tb(s) e1 (%) e2 (%)

10 350 1.9740e-05 4.6599e-04 1.0250e-05 3.4402e-04 2.5 1.7

1 5 2.2800e-06 4.6873e-06 1.0000e-06 4.9000e-06 0 2

4 10 1.0032e-05 6.3279e-06 4.0000e-06 1.0500e-05 0 5

8 20 2.0064e-05 1.2656e-05 8.0000e-06 2.0900e-05 0 4.5

Comment: When using the parameter correction algorithm, the calculated lightning

surge types according to Heidler's mathematical function have met the conditions of accuracy

according to the standard lightning surge. On that basis, the next step needs to build an

improved lightning surge generator model in the Mathlab, which integrates many different

types of lightning surge with the error of standard lightning surge conditions to serve the model

inspection Lightning protection device on low voltage power line.

3.1.3. Improved surge generator model in Matlab Step 1: Identify the elements in the improved surge generator model according to Heidler's

mathematical equation.

Step 2: Constructing the diagram of improved lightning surge block.

After identifying the elements in the improved surge generator model according to Heidler's

mathematical equation, connecting the elements together is block diagramed as Figure 3.4.

Figure 3.2: Block diagram of the Improved surge generator model.

The resulting numeric value will be converted into a signal through the Control Current

Sources block

Step 3: Create Subsystem and create Mask for surge generator.

Figure 3.3: The dialog box for declaring the input parameters of the MOV model


3.1.4. Evaluate simulation model of surge currents

The surge generator model after construction is in the form of Figure 3.4 (a) and the

simulation circuit evaluates the lightning current surge generator model as shown in Figure

3.4 (b).

(a) (b)

Figure 3.4: Lightning current surge generator model and simulation circuit evaluate surge

generator model of surge current

(a) Surge generator model

(b) Simulation circuit evaluate surge generator model of surge current

Conducting simulation of lightning surge current in Figure 3.5, the results of estimating

errors of lightning surge current waveforms are presented in Table 3.3.

Figure 3.5. Lightning surge current waveforms simulated 8/20s-3kA

Table 3.3: Results of simulated lightning surge current waveforms

Input parameter

values of lightning

currents

The value is determined based on the simulated waveform Errors

tds(µs) ts(µs) Im(A) Ipeak(A) t_10% t_50% t_90% ta(s) tb(s) Ipeak

(%) e1

(%) e2

(%)

10 350 3000 2999 0.000016 0.000352 0.000024 0.00001 0.000337 0.03 0 3.71

1 5 3000 3001 0.0000016 0.0000064 0.0000024 0.000001 0.0000049 0.03 0 2

4 10 3000 3000 0.0000072 0.0000168 0.0000104 0.000004 0.00001 0 0 0

8 20 3000 3000 0.0000144 0.0000336 0.0000208 0.000008 0.00002 0 0 0


Comment: The simulation results have the error of: Peak current, front time and tail

time meet the standard lightning surge error (± 10%).

3.2. Model of low voltage surge protective device

3.2.1. The reasons for improving

Currently, there are many domestic and international researches on surge protective

device on low voltage power lines, but there has not been any work to fully consider the factors

of threshold voltage error, environmental temperature. Researching to create a model of surge

protective device on the low voltage power line in Matlab with sufficient consideration of the

above influencing factors is necessary.

3.2.2. Model of improved low voltage lightning protective device on Matlab

3.2.2.1. Nonlinear resistor model on Matlab

Non-linear element V = f(I) built on a lookup table, with each value of voltage V

corresponding to a current value I, according to the expression (3.17).

II ebebIbbVloglog 43log2110

(3.17)

For each standard low voltage MOV type, the parameters b1, b2, b3, b4 respectively.

These parameters b1, b2, b3, b4 are determined based on the V-I characteristic of MOV in

the normal active of MOV, corresponding to the error (TOL) of the MOV voltage of 0%.

Depending on the MOV types, the standard TOL tolerance can vary from 10% to 20%.

Figure 3.6: The V-I characteristic of MOV

From expression 3.17, deduced 10ln

lnlog4

log3log21

VIeb

IebIbb

(3.18)

Based on the V-I characteristics in the active MOV region, select 4 points on the V-

I characteristic corresponding to b1, b2, b3, b4 by solving the 4 equations.

10ln

1ln1log4

1log31log21

VIeb

IebIbb

10ln

2ln2log4

2log32log21

VIeb

IebIbb

(3.19)

10ln

3ln3log4

3log33log21

VIeb

IebIbb

10ln

4ln4log4

4log34log21

VIeb

IebIbb


In order to simulate the case when the MOV is subjected to a discharge current, in

case the MOV residual voltage has a maximum value (this is also the V value of MOV in the

V-I characteristic given in the catalogue), the positive error will be used for modelling

through expressions (3.20).

)0(I10).100/1(

loglog 43log21 II ebebIbbTOLV (3.20)

Figure 3.7: Diagram of nonlinear resistor model V = f (I) of MOV

3.2.2.2. Effect of temperature on V-I characteristics

T temperature affects MOV's direct service life and IMAX conductivity:

-550C ≤ T ≤ 850C: IMAXT = IMAX (3.21)

850C ≤ T ≤ 1250C: IMAXT = (-2,5*T+312,5)*IMAX/100 (3.22)

T > 1250C: IMAXT = 0 (3.23)

The temperature value T is declared and calculated according to the expressions

(3.21), (3.22), (3.23) in Initialization Commands in the Mask Editor function of the complete

low voltage MOV model.

3.2.2.3. Improved low-voltage MOV lightning protective device model on Matlab

Low voltage MOV model on Matlab as shown in Figure 3.8.

Figure 3.8: Improved low voltage MOV model

With resistors Rs =100n, Rp =100M, inductance Ls≈ 1nH/mm, and capacitor Cp

have different values for different MOV types. MOV model built in Matlab as in Figure 3.9.

Figure 3.9: Low voltage MOV


Using Mask Editor to declare variables in Parameters:

Figure 3.10: The variable declaration dialog and the Initialization dialog box of the low

voltage MOV model.

Where: Vc is the MOV maximum voltage (RMS value), which is standardized by

the manufacturer and is the base value for selecting the MOV value corresponding to other

voltage networks: 230V, 275V, 440V and 750V; Imax is the amplitude value of the 8/20 µs

surge current that MOV can tolerate, the amplitude value is normalized by the manufacturer

and is the base value for selecting the MOV type corresponding to the current surge tolerance

different as: 2.5kA, 4.5kA, 6.5kA, 8kA, 25kA, 40kA, 70kA and 100kA. The two parameters

Vc and Imax above to classify MOV, corresponding to different MOVs will have different

values of L, C and b1, b2, b3 and b4; TOL is the error (%) of the threshold voltage of MOV

and usually has a standard value of 10%, 15%, 20%; T is the MOV temperature measured

in ºC and has a value between -55 and 125ºC; N is the number of MOV elements in the

lightning protective device.

In Initialization, enter the value of the model's input parameters. Write a program to

access the values L, C, parameters b1, b2, b3, b4 and calculate the value of the V_array_input

voltage array according to the I_array_output current array through the expression (3.19)

according to MOV's V-I characteristic.

Two arrays V_array_input and I_array_output declare for the Look-up Table block

of the nonlinear resistor element model, which shows the V-I relationship according to the

expression (3.20) of MOV, calculated in advance by the program by the command:

I_array_output=[0.0000001 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 300 1000 2000

5000 10000 20000 40000 100000 1000000];

V_array_input=(1+TOL/100)*10.^(b1+b2*log10(I_array_output/N)+b3*exp(-

log10(I_array_output/N))+b4*exp(log10(I_array_output/N)));

Complete the model building steps in Mask Editor, finally get the complete model

of the low voltage MOV lightning protection device. Input parameters of Model 3.11:


Figure 3.11: Input parameter box of low voltage MOV model

3.2.2.4. Evaluation of lightning protective device model with 8/20µs surge current

Test circuit to meet the low voltage lightning protective device model under the

influence of 8/20µs surge current shown in Figure 3.12.

Figure 3.12: Simulation diagram of low voltage lightning protective device

a. Simulate with low voltage lightning protective devices of SIEMENS:

There are technical parameters presented in Table 3.4 with 8/20 μs surge currents

3kA at temperatures of 28 °C and 100°C respectively.

Table 3.4: Technical parameters of low voltage lightning protective device of

SIEMENS

Types AC max

voltage

Surge current

of 8 / 20μs max

(A)

Errors of

MOV

voltage (%)

Maximum discharge

voltage with surge

of 8/20μs 3kA

S14K320 320 4500 10 1250

S20K320 320 8000 10 1200

Table 3.5: Simulation results of lightning protective devices of SIEMENS at 28oC and

100oC

Residual voltage value

on MOV

S14K320 S20K320

28oC 100oC 28oC 100oC

According to catalouge

(V) 1250 1384 1200 1208

According to model

(V)_Vrmod 1257 1389 1186 1209

Errors (%)_∆V 0.6 0.3 1.2 0.08

r mod rcrat

r mod

V VV% 100%

V


b. Simulate with low voltage lightning protective devices B32K320 and B60K320 of EPCOS:

The specifications presented in Table 3.6 with 8/20μs surge have a amplitude of 5kA

at 28°C and 100°C respectively.

Table 3.6: Specifications of EPCOS low-voltage lightning protective device

Types AC max

voltage

Surge current

of 8/20μs max

(A)

Errors of

MOV

voltage (%)

Maximum discharge

voltage with surge

of 8/20μs 5kA

B32K320 320 25 10 1200

B60K320 320 70 10 1050

Table 3.7: Results of comparing and simulating EPCOS lightning protective devices at

280C and 1000C

Residual voltage value on

MOV

B32K320 B60K320

28oC 100oC 28oC 100oC

According to catalouge (V) 1200 1248 1050 1123

According to model

(V)_Vrmod 1198 1252 1052 1131

Errors (%)_∆V 0,2 0,3 0,2 0,71

Comment: Through the simulation results of the model of low voltage lightning

protective device for MOV types of manufacturers as shown in Table 3.5 and Table 3.7, the

model results of improved low voltage lightning protective device there are the error values

within the permitted range of MOV specified (residual voltage error on the model compared

to manufacturer's data with a maximum value of 1,2%, lowest value is 0,08%).

The input parameters of the model are relatively simple, completely provided by the

manufacturer.

3.2.2.5. Test residual voltage of lightning protective device from AXOS8 surge generator at

laboratory C102 of Ho Chi Minh City University of Technology and Education and model

Table 3.8: Technical parameters of MFV 20D511K lightning protective devices on low

voltage power line

AC max voltage (V) 320

Surge current of 8 / 20μs max (A) (kA crest) 6,5

Errors of MOV voltage (%) 10

Temperature (°C) 28

Perform simulation on Matlab using 8/20µs surge current with amplitude of 3kA for

the results of response of MFV 20D511K low voltage lightning protection devices, residual

voltage of MFV low voltage lightning arresters 20D511K when simulating at 280C and 1000C

Table 3.9: Comparison of residual voltage between actual experiment and model

Residual voltage value on MOV 28oC 100oC

According to the actual device (V) 1190 1240

According to model (V)_Vrmod 1103 1181

Errors (%)_∆V 7 5

Comment: From the experimental results, the residual voltage difference between the

improved low-voltage lightning protective device model on Matlab and the lightning surge


generator is actually tested for the MFV 20D511K low-voltage lightning protective device at

280C is 7%; at 1000C is 5%.

3.3. Conclusion Building a lightning surge generator model for 4 types of lightning surge current with

errors meeting the error of the standard lightning impulse (10%). The simulation results for

lightning surges, the maximum error value of peak current value is 0,03%, the front time is

0%, the tail time is 3,71%; Building a model of lightning protective equipment on the low

voltage in Matlab with high similarity with the prototype, specifically: About the structure of

the device in the model, maximum voltage, surge current maximum, threshold voltage errors,

temperature. Results of residual voltage test between simulation modelling and residual

voltage from manufacturer's catalogue: Maximum value is 1,2%, lowest value is 0,08%.

Electrical test results residual voltages between MFV 20D511K and MFV 20D511K models

is tested at laboratory C102 of Ho Chi Minh City University of Technology and Education at

the temperature of 280C, the errors is 7%, at 1000C the error is 5%.


Chapter 4

SOLUTION FOR SELECTION OF SURGE PROTECTIVE DEVICE

ON LOW VOLTAGE POWER LINE FOR TYPICAL STRUCTURE 4.1. Overview

4.2. Procedure of calculation and selection of surge protective devices on the power line

4.2.1. Risk assessment procedure for typical structure The procedure of risk assessment for typical structure consists of 11 steps and shown in Figure

4.1.

Identify the types of loss relevant to the structure

Identify the structure to be protected

Identify and calculate the risk components

R > RT

The structure needs to install lightning

protection system

Structure is protected

YesYes

Step 1Step 1

Is LPS

installed?

Select an adequate types of LPS Select other protection measures

IS SPM

installed?

Calculate new values of risk

components

Select an adequate types of SPM

YesYes

NoNo

YesYes

NoNo NoNo

Step 2Step 2

Step 3Step 3

Step 4Step 4

Step 5Step 5

Step 6Step 6

Step 7Step 7

Step 8Step 8

Step 9Step 9Step 10Step 10

Step 11Step 11

Note: RT: tolerable risk; LPS: Lightning Protection System; SPM: Surge Protection Measures.

Figure 4.1: Risk assessment procedure for telecommunication site.

Risk assessment process for telecommunication stations consists of 11 steps as follows:

Step 1: Identify the characteristics and parameters of telecommunication site to be

protected against lightning: structure dimensions; height of adjacent antenna tower; level of

shielding by other structure nearby; lightning density; fire protection measures; the number,

installation method and length of the service line connected to the structure; existing lightning

protection measures, etc.

Step 2: Calculate the risk components for a structure due to direct and indirect lightning

strike. From there, calculate the risk of loss of human life R1 and the risk of loss of service R2

for the structure.

Step 3: Identify and calculate risk components for each type of loss

Step 4: Calculate the total component risk value for each type of loss and compared to

the tolerable risk value according to IEC 62305-2 [1]. If the risk calculation value for each


type of loss is less than the tolerable risk, the structure is protected, and vice versa, lightning

protection system is required to be installed.

Step 5: The structure needs to install lightning protection system

Step 6: Consider whether the structure is equipped with LPS or not? Move to Step 7 if

the structure is equipped with LPS. Move to Step 8 if the structure is not equipped with SPM.

Step 8: Consider whether the structure is equipped with SPM on the power line or not?

Move to Step 9 if the structure is not equipped with SPM. Move to Step 10 if the structure is

equipped with SPM.

Step 9: Select and equip suitable SPM on the power line.

Step 10: Select other protection measure.

Step 11: After installing LPS, the appropriate level of protection or additional

installation of LPS has the appropriate level of protection; If the SPM installation has the

appropriate level of protection or additional installation of SPM with the appropriate level of

protection, return to Step 4 to calculate the risk assessment to check whether the building has

been protected.

4.2.2. The selection and testing procedure for SPD

After assessing the risk due to lightning, the procedure of selection and testing

the protection of SPDs consists of 6 steps and as shown in Figure 4.2.

Select SPD on power line

Simulate the response of SPD on the power

line

Check the protection voltage:

UP≤(1200+Un), for electrical equipment;

UP≤1.5Un , for electronic devices

Structure protected from the risks of surge

on the power line

Yes

No

Build the model of electricity

distribution network

Select the location of SPD on power line

Step 1:

Step 2:

Step 3:

Step 4:

Step 5:

Step 6:

Note: with UP is protection voltage of the device; Un is the nominal voltage of the system.

Figure 4.2. Procedure for selection and testing the protection of SPD on the power line.


Step 1: Based on the single line diagram of power line for the structure, the model of

electricity distribution network will be built on the Matlab.

Step 2: Select the SPD on the power line.

Step 3: Select the location of the SPD on the power line: Main distribution panel; sub-

distribution panel, at feed of load.

Step 4: Simulate the response of the SPD on the power line with the surge generator model

by generating surge propagation at different positions on the power line with the lightning

current depends on the location of the structure corresponding in Figure 4.3 and examine the

protection voltage at the terminal of the device in each case.

Figure 4.3: Standard lightning surges

Step 5: Check the protection voltage UP:

- According to IEC 61643-1 for electrical equipment, protection voltage:

P nU (1200 U ) (4.1)

- According to AS 1768 for electronic devices, protection voltage (Figure 4.4):

P nU 1,5U (4.2)

- If the protection voltage is not satisfied (1) and (2), go back to Step 2.

Figure 4.4. Typical voltage/time tolerance of electronic devices, computers.

Step 6: Conclusion of the structure has been protected from the risks of surge on the power

line.


4.3. Calculation for typical structure

4.3.1. Characteristics of the structure

The actual structure investigated in this article is a telecommunication site (TS) in Long

Thanh district, Dong Nai province, Vietnam, built in reinforced concrete, lightning density of

the area is 13,7 times/km2/year and no other higher structure nearby. The antenna tower is

built in steel, 4m from the station and has a height of 50m.

- The length of the power line and telecom lines connected to the station are 500m and 1000m,

respectively.

- The lightning protection system has been installed and the telecom lines have been installed

with SPM.

- The power line is not installed with SPM.

- The TS should be assessed for the risk of loss of human life and the risk of loss of service

due to lightning to select SPD on the power line.

4.3.2. Assess the risk of damage due to lightning for telecommunication site Risk assessment procedure for telecommunication site is implemented as shown in Figure 4.1

Step 1: Identify the characteristics and parameters of structure to be protected:

Table of characteristics of surrounding buildings and environment, characteristics of power

lines, and characteristics of telecommunication lines are presented in Appendix 11.

Step 2: For telecommunication site, there are two types of damage caused by lightning:

human loss (R1) and service loss (R2):

Step 3: Calculate the risk components related to R1 and R2 due to lightning caused to

the telecommunication site.

Step 4: Compare the values R1 and R2 with RT1 and RT2

Table 4.1: Comparing the value of risk values with risks according to the standard [1]

The calculated risk value Risk value according to

standard [1] Comparison results

R1= 3,88.10-6 RT1= 10-5 R1<RT1

R2 = 0,0309 RT2= 10-3 R2>RT2

⇒ Risk value R2 is higher than the standard risk value.

Step 5: The building should be installed with lightning protection system.

Step 6: Consider whether the building is equipped with LPS? It is considered that the

building has been installed LPS with SPD with LPL level I protection level, and moved

to Step 8.

Step 8: Consider whether the construction is equipped with SPM or not? The struture

has not been equipped with SPM on the power line, move to Step 9.

Step 9: Select and install SPM for power line: SPD has LPL has protection level II

(PSPD/P=0,05.0,02=0,001).

Step 10: Recalculate new component risk values.

After recalculating the component risk values, go back to Step 4 to calculate the risk for R1

and R2:


Table 4.2: Comparison of the risk value of components when installing SPD with risk value

in standard [1].

The calculated risk value Risk value according to

standard [1] Comparison results

R1= 3,87.10-6 RT1= 10-5 R1 < RT1

R2 = 2,137.10-4 RT2= 10-3 R2 < RT2

⇒ Risk value R1 and R2 are all lower than the tolerable risk value

Comment: Risk values R1 and R2 are less than tolerable risk values RT1 and RT2in IEC

standard 62305-2 [1]. The structure has been protected from the risk of damage due to

lightning, continue to test the protection performance of SPD on the power line.

Comment: Risk values R1 and R2 after installing LPS lightning protection devices with

SPDs have LPL level I and SPM protection levels with SPD level II LPL protection levels,

RT1 risk values and The RT2 is lower than RT1 and RT2 according to standard [1], which limits

the risk of damage caused by lightning. On that basis, select the lightning protection measures:

Select lightning protective device, select the location of lightning protective device, test the

protection ability of lightning protective device on the power line after installation.

4.3.3. Lightning surge protection solution on the power Step 1: Build the power distribution network model on Matlab.

Based on the main power supply scheme for the telecommunication site and the summary of

equipment in the station, building a power distribution diagram model on Matlab as shown in

Figure 4.5.

Step 2: Select surge protective device on the power line

- Select level I SPD: (Cat B)

- Select level II SPD: (Cat C)

Step 3: Select the location to install surge protective device

Surge protective device is installed at main distribution board and sub-distribution board.

Step 4: Conducting simulations to test the response ability of the surge protective

device on the power line and survey the residual voltage across the load: Load AC

230V/400V, load 48V DC

The lightning density at the area is 12 times/km2/year, according to ANSI/IEEE C62.41, IEC

61643 standards in Figure 4.3, simulation with lightning current surge of 8/20μs 40kA:

- When not installing SPD, the simulation value of residual voltage at loads is shown in Table

4.3

Table 4.3: The protection voltage simulation values at loads, without SPD.

Rated current

amplitude

8/20µs (kA)

The peak of protection

voltage across AC load

(V)

The peak of

protection voltage

across DC load (V)

40 38600 460


Figure 4.5. Power distribution network simulation diagram in Matlab.


Simulation results test residual voltage through AC and DC loads when the voltage

transients appear because lightning is greater than the protection voltage (UP) according to

the standards. Therefore, it is necessary to select SPD and installation location on the power

line for electrical and electronic equipment.

- When selecting SPD:

+ In the main distribution board, select level I SPD (Cat B): Based on the location

of the installation of source transmission lightning protective devices, the lightning density

of the structure and the surge amplitude of lightning current is 40kA, waveform 8/20µs.

Select surge protective device with 275V, surge current (Imax impulse current) 40 kA or 70

kA or 100 kA (3 devices with different Imax).

+ At the AC distribution board, select level II SPD (Cat C): Based on the location

of lightning protective device installation, the lightning density and surge amplitude appear

40kA, waveform 8/20µs. Select SPD with 275V, surge current is 25 kA or 40 kA or 70kA

(3 devices with different Imax pulse current). The simulation results of the voltage test for

AC and DC loads are shown in the Table in Table 4.4, Table 4.5 when installing SPD

installed at the essential main switch board and the main switch board.

Table 6. The protection voltage simulation values for AC load when SPDs are installed

in the essential main switch board and main switch board.

Rated

current

amplitude

8/20µs

(kA)

Voltage

tolerance

of MOV

(%)

SPD class I SPD class II

Rated

voltage

of MOV

(V)

Rated

current

of

MOV

(kA)

The peak

of

protection

voltage

across the

load

(V)

Rated

voltage

of MOV

(V)

Rated

current

of

MOV

(kA)

The peak

of

protection

voltage

across the

loads

(V)

40 10 275 40 1779 275 25 1117

40 1071

40 10 275 70 1661 275

25 1089

40 1046

70 1011

40 10 275 100 1407 275

25 1008

40 976

70 950

Table 4.5: The protection voltage simulation values across the DC loads when SPD are

installed in the essential main switch board.

Rated voltage of

MOV (V)

(SPD class I)

Rated current

of MOV (kA)

Voltage

tolerance of

MOV

(%)

Rated current

amplitude

8/20µs

(kA)

The peak of

protection

voltage across

the load

(V)

275 40 10 40 63.7

275 70 10 40 63.7

275 100 10 40 63.9

Step 5: Check protection voltage:

http://www.coppertech.com.my/our-products/essential-main-switch-board-emsb/




- From the simulation results after installing lightning protective device with a standard

lightning surge 8/20µs, the surge amplitude of 40kA for devices with different tolerant

current pulse at different protection levels:

+ Class I: SPD-275V-40kA; SPD-275-70kA; SPD-275-100kA

+ Class II: SPD-275V-25kA; SPD-275-40kA; SPD-275-70kA

- Results of simulation of residual voltage UP (protection voltage) caused by

lightning after installing surge protective device, selecting surge protective device on low

voltage power line as follows:

+ Installation of surge protective device at essential main switch board: For class I

SPD, lightning surge 8/20µs, 275V 40kA;

+ Installation of surge protective device at main switch board: For class I SPD,

lightning surge 8/20µs, 275V 25kA;

Step 6: Through the selection of surge protective device and the selection of the

location of surge protective device on power lines for telecommunication site, test the

protection voltage when the voltage transients appear due to lightning induced output for

AC and DC electrical equipment. From the Step 4 simulation results and test in Step 5, the

construction has been protected to avoid the risk of damage caused by lightning on the low

voltage voltage power line.

4.4. Conclusion The content of chapter 5 has proposed the solution of surge lightning protection the

low voltage power lines in general according to the following steps: Determining the risk

of damage caused by lightning by analyzing and applying tissue modeling methods

simulated to select device and location to install surge protective devices on low voltage

power lines to meet technical requirements.

The effectiveness of the proposed solution applies to telecommunication site in

Long Thanh district, Dong Nai province and has the following comments:

- When surge protection measures have not been applied on the power line, the risk

of struture of service damage is R2 = 0,0309 which is greater than the tolerable risk value

in [1] is10-3. When a level II SPD is installed, the risk value of loss of service reduced at

R2 = 5,04.10-4 which meets the tolerable risk in [1].

When selecting surge protective device, installation location and conducting

simulation to test the protection ability of surge protective devices on low voltage power

lines. From the simulation results, it is proposed to select and install surge protective device

to meet the technical requirements and economic efficiency.

+ Surge protective device is selected and installed at essential main switch board

with level I: surge 8/20µs 40kA, 275V;

+ Installation at level II in main switch board: surge 8/20µs 25kA, 275V (according

to IEC 60614- 1 and AS / NZS 1768).




Chapter 5

CONCLUSION 5.1 Research results

The thesis has focused on researching to complete the main contents as follows:

1. Propose improved method of risk assessment of damage due to lightning based on

the use of risk assessment method according to IEC 62305-2, with some factors being

calculated in detail by the proposed standards such as AS/NZS 1768 and IEEE 1410. The

factors considered include: probability of a dangerous discharge based on structure type;

the number of service lines connected to the structure, shielding factor along the power

line.

For illustrative structure, the results of calculating the risk assessment of damage due to

lightning according to the proposed method differ significantly when calculating the risk

assessment of damage due to lightning according to method of IEC 62305-2. Specifically,

the risk of loss of human life R1 is lower than about 13%, and the risk of loss of economy

R4 is lower than about 11%.

2. Propose lightning surge generator model applied to 4 different types of lightning

surge currents in Matlab with the errors within the allowed range. Specifically, the

maximum error value of peak current is 0.03% (<10%), the front time is 0% (<10%), the

tail time is 3.71% (<10%).

3. Propose the detailed model of surge protective device on the low voltage power line

in Matlab considering the following parameters: maximum voltage operation, maximum

gurge current, threshold voltage errors, and temperature. The lightning surge protection

device model has errors within the manufacturer's specified range from the catalogue

(10%):

- The residual voltage between the model and catalogue has the largest error of 1.2%,

and the smallest is 0.08%.

- Residual voltage between model and test results on AXOS8 system at laboratory C102

of Ho Chi Minh City University of Technology and Education with a temperature at 280C

is 7%, and at 1000C is 5%.

- According to the limitation of the scope of the research, the thesis proposes solution

to protect lightning surge on the power line according to the following steps: Calculate and

determine the risk components of damage caused by lightning, choose surge protective

device to on low voltage power line and select the location to install surge protective device

for typical struture illustrating, assessing the protection effectiveness of surge protective

devices for the solution proposed according to simulation modeling method. To illustrate,

the surge protective device solution on the power line is applied to telecommunication site

in Long Thanh district, Dong Nai province.

- The outstanding points of the thesis are published in specialized journals both

domestically and internationally: 2 articles published international conferences; 1 article

published in Spinger Publicsher; 1 article published at the IEEE conference; 3 articles

published in international journals; 3 articles published in domestic magazines are counted

in the list of professor titles.


5.2. Development direction of the thesis In order for the research to be systematic and comprehensive, the thesis can continue to

research and develop according to the following contents:

1. Research and propose comprehensive lightning protection solutions including: Direct

lightning protection, lightning protection on signal line.

2. Study the effect of grounding system on lightning protection efficiency.

3. Study the unbalanced current distribution in parallel MOVs, in case the threshold voltage

errors is relatively large in theory.

4. Research on economic efficiency assessment after selecting solutions to install lightning

protection measures.

Documents

THÀNH PH CHÍ MINHsdh.hcmute.edu.vn/Resources/Docs/SubDomain/sdh/2019/Tom tat LATS... · vực điện, điện tử và đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông, mạng máy