Tổng quan và tính cấp thiết của đề tài
Sét là hiện tượng tự nhiên do sự phóng điện giữa các đám mây mang điện tích trái dấu hoặc giữa đám mây và mặt đất, xảy ra khi điện trường khí quyển đạt giá trị nhất định Việt Nam, nằm ở tâm dông Châu Á, có mùa dông kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10 với khoảng 100 ngày dông và 250 giờ dông trung bình mỗi năm Sự chênh lệch về hoạt động dông giữa các vùng là rất lớn, với Cam Ranh chỉ có 55 giờ dông/năm, trong khi A Lưới (Huế) có tới 489 giờ/năm Điều này do ảnh hưởng của địa hình và khí hậu, nơi có nhiễu động khí quyển mạnh sẽ có nguy cơ sét cao hơn Hàng năm, Việt Nam có thể ghi nhận đến 2 triệu cú sét đánh xuống đất Theo thống kê của Viện Vật lý Địa cầu năm 2004, trong 10 năm qua, cả nước ghi nhận 820 vụ sét đánh gây thiệt hại hàng tỷ đồng, ảnh hưởng đến dịch vụ viễn thông và gây thiệt hại cho mùa màng, tính mạng con người, đặc biệt tại các khu vực như Cổ Dũng (Hải Dương) và Sơn Lộc (Hà Tĩnh).
Dông sét có tác động đáng kể đến hoạt động kinh tế - xã hội Bên cạnh những lợi ích như cung cấp nước mưa và nitrat từ phóng điện sét, dông sét còn mang lại nguồn đạm phong phú cho nông nghiệp, góp phần cải thiện sản xuất nông nghiệp.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 2 đang gây ra những tác động tiêu cực đến kinh tế xã hội Những cơn dông kéo dài có thể dẫn đến lũ lụt, trong khi sét đánh thường xuyên trở thành mối nguy hiểm, gây thiệt hại về người và tài sản.
Khi lắp đặt thiết bị điện vào lưới điện, việc lựa chọn dựa vào điện áp định mức là rất quan trọng Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, quá điện áp tạm thời có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân như sự cố chạm đất, thao tác đóng cắt, hoặc sét đánh Trong số đó, quá điện áp do sét được coi là nguy hiểm nhất, dễ gây phóng điện và phá hủy thiết bị Mặc dù vậy, việc trang bị thiết bị chống sét lan truyền ở Việt Nam vẫn chưa được chú trọng, người dùng chủ yếu tập trung vào việc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp Thêm vào đó, các mô hình thử nghiệm hay máy phát xung sét tại Việt Nam còn hạn chế, chủ yếu do bản quyền thuộc về các hãng sản xuất nước ngoài, dẫn đến khó khăn trong việc đánh giá thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu điện thoại.
Hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị chống sét đã tiến hành nghiên cứu sâu về các mô hình thiết bị chống sét, với các mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng khác nhau Tùy vào phạm vi ứng dụng và yêu cầu về sự tương đồng giữa mô hình và nguyên mẫu, các phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng các phần tử chống sét trên đường điện thoại vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển Một trong những thách thức lớn trong việc xây dựng mô hình là xác định các thông số, vì thông tin trong catalogue của nhà chế tạo thường không đầy đủ.
Để phòng chống sét hiệu quả, cần thiết lập các giải pháp và lựa chọn thiết bị chống sét phù hợp Việc lắp đặt thiết bị cắt sét và lọc sét tại điểm dẫn vào tòa nhà giúp giảm thiểu biên độ lọc dòng sét trên đường điện thoại Điều này không chỉ bảo vệ trang thiết bị mà còn giảm thiểu tổn thất trong quá trình vận hành và kinh tế.
“Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường điện thoại”.
Mục tiêu và nhiện vụ của luận văn
Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét trên đường dây thoại
Lập mô hình các máy phát xung áp sét chuẩn và máy phát xung dòng chuẩn trong môi trường Matlab
Xây dựng mô hình GDT, TVS Zener Diode, UTB, SLP
Xây dựng mô hình thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường điện thoại
Giải pháp bảo vệ chống sét lan truyền trên đường thoại.
Các bước tiến hành
Thu thập, chọn lọc tài liệu liên quan cần thiết
Tổng hợp và phân tích các tài liệu sau khi đã chọn lọc
Khảo sát các ứng dụng bổ trợ của phần mềm dự kiến thực hiện
Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét trong và ngoài nước
Nghiên cứu mô hình (GDT, TVS Zener Diode, UTB, SLP)
Nghiên cứu thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường điện thoại
Đánh giá, kết luận, đưa ra giải pháp chống sét lan truyền trên đường điện thoại.
Điểm mới của luận văn
Trong môi trường Matlab, chúng tôi xây dựng mô hình cho các phần tử bảo vệ GDT, TVS Zener Diode, UTB và SLP, được ứng dụng trong thiết bị chống sét lan truyền Những mô hình này giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ thiết bị điện khỏi các hiện tượng sét đánh và quá áp.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 4 đường thoại có độ chính xác cao, phù hợp với các kết quả thử nghiệm và các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất
Xây dựng mô hình thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường điện thoại
Giải pháp, chọn thiết bị cho một vị trí chỉ định.
Giá trị thực tiễn của đề tài
Đề tài dự kiến sẽ đạt được những kết quả mang tính thực tiễn như sau:
Nghiên cứu này cung cấp những kết quả quan trọng, giúp cải thiện quy trình lựa chọn, phối hợp và kiểm tra hiệu quả của các thiết bị bảo vệ chống sét trên đường điện thoại, đặc biệt trong bối cảnh thiếu thốn phòng thí nghiệm hiện nay.
Công cụ mô phỏng này rất hữu ích cho những người nghiên cứu phản ứng của thiết bị chống sét khi chịu tác động của xung sét Nó giúp đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ chống sét trên đường dây điện thoại trong mạng viễn thông.
Tối ưu hóa tính năng bảo vệ của thiết bị chống sét là rất quan trọng để nâng cao độ tin cậy trong quá trình vận hành Điều này đặc biệt cần thiết cho việc bảo vệ thiết bị chống sét trên đường điện thoại, giúp đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động ổn định.
Đề tài có khả năng phát triển ở những cấp nghiên cứu cao hơn trong điều kiện cho phép.
Tiêu chuẩn TIA-968-A, TIA-968-B
Tiêu chuẩn TIA-968-A và TIA-968-B được áp dụng cho tất cả các thiết bị kết nối vào mạng điện thoại công cộng PSTN, nhằm cung cấp các tiêu chuẩn đồng nhất để bảo vệ mạng khỏi hư hỏng và nhiễu do thiết bị gây ra Tiêu chuẩn này cũng xem xét các yếu tố môi trường như dao động, nhiệt độ, độ ẩm, điện áp rơi, cũng như các kiểm tra tín hiệu và dòng điện nguy hiểm, trong đó có kiểm tra quá áp.
Tiêu chuẩn yêu cầu thiết bị thực hiện kiểm tra quá áp bằng cách áp dụng xung áp trên một dây (metallic) dạng A và B, cũng như xung áp trên hai dây (longitudinal) dạng A.
B Đối với xung thử loại A thì thiết bị EUT (Equipment Under Test) có thể hoạt động hay ngừng hoạt động Đối với xung thử dạng B thì mạch bảo vệ thiết bị không được phép hư hỏng EUT phải được thiết kế để chịu đựng được các xung loại B và tiếp tục hoạt động tốt ở tất cả các trạng thái làm việc b Xung áp giữa 2 dây Tip và Ring (Metallic)
Các xung áp giữa hai dây Tip và Ring dạng A và B được áp dụng đồng thời cho cả hai cực dương và âm trong mọi trạng thái hoạt động như chờ máy, hết chờ máy, và chuông kêu Xung dạng A có điện áp 800V và dòng đỉnh 100A, trong khi xung dạng B có điện áp 1000V và dòng đỉnh 25A Bảng 2.1 cung cấp danh sách chi tiết về các dạng xung này.
Bảng 2.1 Các dạng xung thử theo TIA-968-A, TIA-968-B
Dạng kiểm tra Điện áp đỉnh (V PK )
Dạng sóng xung áp (ms)
Dạng sóng xung dòng (ms)
Longitudinal dạng B 1500 9 x 720 37.5 5 x 320 1 c Xung áp trên 2 dây Tip, Ring với đất (longitudinal)
Các xung áp loại A và B được áp dụng lên cả hai cực tính dương và âm trong mọi trạng thái hoạt động Xung dạng A có giá trị 1500V, 200A xung đỉnh được đặt lên thiết bị thử nghiệm (EUT) qua cả hai dây Tip và Ring Trong khi đó, xung loại B là xung 1500V, 37.5A xung đỉnh áp dụng lên dây Tip và dây Ring với đất Mặc dù các xung thử loại B chỉ đảm bảo mức bảo vệ tối thiểu, để thiết bị hoạt động tin cậy trong thời gian dài, việc thử nghiệm với xung dạng A là cần thiết.
Tiêu chuẩn GR 1089
Tiêu chuẩn GR 1089 quy định về "Tương thích điện từ và các điều kiện an toàn cho thiết bị trong mạng viễn thông", bao gồm yêu cầu cho các thiết bị viễn thông kết nối qua cáp đôi dây xoắn Tiêu chuẩn này cũng thiết lập các điều kiện bảo vệ chống sét và nhiễu từ đường dây AC Do cáp đôi dây xoắn và các dây dẫn kim loại dễ bị ảnh hưởng bởi sét và nhiễu từ, GR 1089 yêu cầu các nhà sản xuất thiết bị mạng điện thoại công cộng phải đảm bảo rằng thiết bị hoạt động tin cậy và an toàn.
Các tiêu chí cho các tiêu chuẩn này được xác định dựa trên các điều kiện quá độ tại vị trí lắp đặt thiết bị, bao gồm các thiết bị từ xa, tổng đài và thiết bị khách hàng.
HVTH: Nguyễn Văn Quang nhấn mạnh rằng các công ty cung cấp dịch vụ cần phải trang bị bảo vệ điện áp sơ cấp để giới hạn điện áp đỉnh trong quá trình quá độ, với mức 1000 V và 600 Vrms cho các đường dây AC.
Khi kết hợp với thiết bị bảo vệ điện áp sơ cấp, cần phối hợp với cầu chì và các thiết bị hạn dòng được mắc sau đó Các thiết bị này thường có dòng định mức khoảng 350mA Phương pháp kiểm tra thiết bị theo tiêu chuẩn GR 1089 là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và độ an toàn.
Thực hiện thử nghiệm cả 2 cấp bảo vệ sơ cấp và thứ cấp với các xung sét và sự cố ở đường dây AC
Kiểm tra bộ giới hạn dòng
Cấp điện áp sự cố với xung áp 600V và 1000V, cùng với xung dòng 100A trong thời gian 10x1000ms, có thể được giảm thiểu cho các thiết bị tại tổng đài nhờ vào việc sử dụng các bộ bảo vệ bán dẫn.
Các bộ bảo vệ thứ cấp phải kết hợp với các bộ bảo vệ sơ cấp phải có định mức 100A - 10/1000ms
Kiểm tra thứ cấp cho phép dùng cầu chì MDL 2A hoặc cầu chì MDQ 1,6A Ngoài ra còn có thêm các thử nghiệm trong vòng 15 phút với các dòng 3A, 3.75A, 5A, 10A, 12.5A, 20A và 30A
Các thiết bị được kiểm tra trong nhiều trạng thái hoạt động khác nhau, bao gồm: không làm gì (idle), truyền, nhận, chờ máy (on hook), hết chờ máy, đang nói chuyện, quay số và rung chuông.
Bảng 2.2 và 2.3 trình bày cách kết nối ứng với điều kiện kiểm tra
Bảng 2.2 Cách kết nối các điều kiện thử nghiệm Điều kiện thử nghiệm Giao tiếp 2 đường dây Giao tiếp 4 đường dây
1 Tip với máy phát, Ring với mass
T1 R1) nối tới máy phát trong khi 3 đầu kia nối mass
2 Ring với máy phát, Tip với mass 2 Tip và Ring đồng thời nối máy phát, T1 và R1 nối mass
3 Tip và Ring đồng thời nối máy phát
3 T1 và R1 đồng thời nối máy phát, Tip và Ring nối mass
B Tip và Ring đồng thời nối máy phát T, R, T1, R1 nối đồng thời vào máy phát xung thử
Bảng 2.3 Cách kết nối tới máy phát kiểm tra Điều kiện Khóa S 1 Khóa S 2 Khóa S 3 Khóa S 4
Theo A-1 bảng 2.2 Đóng Mở Mở Đóng
Theo A-2 bảng 2.2 Mở Đóng Đóng Mở
Theo A-3 bảng 2.2 Đóng Mở Đóng Mở
Để vượt qua kiểm nghiệm xung sét cấp thứ nhất, thiết bị EUT (Equipment Under Test) cần đảm bảo không bị hư hỏng và tiếp tục hoạt động hiệu quả sau khi chịu tác động của xung áp Các thông số kiểm tra được trình bày trong bảng 2.4 dưới đây.
Bảng 2.4 Thông số thử nghiệm kiểm tra xung sét cấp thứ nhất
Xung dòng trên mỗi dây (A)
Cách kết nối theo Bảng 2.2
Các bảo vệ sơ cấp cần được gỡ bỏ trước khi tiến hành thử nghiệm Đối với các thiết bị thử nghiệm (EUT) có bộ giới hạn dòng và áp thứ cấp, các thử nghiệm sẽ được lặp lại khi điện áp giảm xuống và dòng điện giảm xuống dưới ngưỡng định mức của bộ bảo vệ thứ cấp Thử nghiệm 1 và 2 có thể thay thế cho thử nghiệm 3 và ngược lại Cần thực hiện thay đổi bằng cách sử dụng máy phát xung điện áp 1.2x50us để kiểm tra xung sét cấp thứ hai.
Các thử nghiệm kiểm tra xung sét cấp thứ 2 yêu cầu thiết bị phải đảm bảo an toàn, không gây cháy, không vỡ thành mảnh và không có nguy cơ điện Bảng 2.5 cung cấp các thông số kiểm tra chi tiết.
Bảng 2.5 Thông số thử nghiệm kiểm tra xung sét cấp thứ hai
Xung dòng trên mỗi dây (A)
1 (Notes a,b) 5000 2 x 10 500 1 B d Kiểm tra bộ giới hạn dòng
Mục đích của việc kiểm tra thiết bị bảo vệ giới hạn dòng là xác định giá trị dòng điện tối đa cho phép mà thiết bị có thể chịu đựng trong trường hợp xảy ra sự cố.
Bảng 2.6 Các điều kiện kiểm tra giới hạn dòng
Tiêu chuẩn ITU-T K.20 và K.21
Các tiêu chuẩn của Hiệp hội Viễn thông Quốc tế (ITU) được áp dụng tại Châu Âu và khu vực Viễn Đông, trong đó ITU-T là nhánh chuyên trách về tiêu chuẩn viễn thông Các tiêu chuẩn này bao gồm các quy trình kiểm tra nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu suất của các dịch vụ viễn thông.
Các xung sét do sét đánh vào hoặc gần đường cáp và thiết bị
Cảm ứng trong thời gian ngắn của điện áp từ đường dây AC
Tiếp xúc trực tiếp của đường dây AC và đường dây viễn thông
Có 2 tiêu chuẩn ITU-T được áp dụng cho hầu hết các thiết bị viễn thông là:
ITU-T K.20 là tiêu chuẩn áp dụng cho các thiết bị nối với tổng đài
ITU-T K.21 bao gồm các yêu cầu cho thiết bị viễn thông được lắp đặt ở phía khách hàng
Các tiêu chí của tiêu chuẩn ITU-T:
Tiêu chí A yêu cầu thiết bị phải trải qua kiểm tra mà không bị hư hỏng và vẫn hoạt động hiệu quả sau khi kiểm tra, tuy nhiên không cần thiết phải hoạt động đúng trong quá trình kiểm tra.
Tiêu chí B (Criterion B) yêu cầu rằng không xảy ra cháy khi kiểm tra và không gây hư hỏng bất cứ phần nào của thiết bị
Bảng 2.7 Các thử nghiệm theo ITU-T K.20
Xung áp (10 x 700us ) Xung dòng
Lặp * Bảo vệ sơ cấp
Nhiều cổng Thử 1 và 2 dây
* giữa các lần lặp nghỉ 1 phút, ** không thực hiện nếu có bảo vệ sơ cấp
Bảng 2.8 Các thử nghiệm theo ITU-T K.21
Xung áp (10 x 700 us ) (kV) Xung dòng Lặp
Chấp nhận Một cổng (port) Nhiều cổng
Các dạng xung sét tiêu chuẩn
Để đánh giá hiệu quả bảo vệ của các thiết bị chống sét trên đường dây thoại, việc đo điện áp bảo vệ theo xung sét tiêu chuẩn là rất cần thiết.
Các tiêu chuẩn bảo vệ chống quá áp cho thiết bị bảo vệ xung do sét quy định các xung sét tiêu chuẩn cần thiết.
3.1.1 Các thông số của xung áp sét tiêu chuẩn a Thời gian đầu sóng T 1
Thời gian đầu sóng T1 của xung sét được xác định bằng 1,67 lần khoảng thời gian T giữa các thời điểm xung đạt 30% và 90% của giá trị đỉnh Thời gian toàn sóng T2 cũng cần được xem xét trong phân tích này.
Thời gian toàn sóng T2 của xung sét được xác định bằng khoảng thời gian giữa điểm gốc giả định O1 và thời điểm khi điện áp giảm xuống nửa giá trị đỉnh Điểm gốc giả định O1 là giao điểm của đường thẳng ngang qua các điểm chuẩn 30% và 90% trên đỉnh sóng với trục thời gian.
Xung sét được tiêu chuẩn hóa, chẳng hạn như xung 10/700us, là loại xung sét toàn sóng với thời gian đầu sóng là 10us và thời gian nửa sóng là 700us Dung sai cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình này.
Thời gian tới nửa giá trị sóng: 20%
Hình 3.1 Dạng xung điện áp sét tiêu chuẩn 3.1.2 Các thông số của xung dòng sét tiêu chuẩn a Thời gian đầu sóng T 1
Thời gian đầu sóng T1 của dòng điện xung sét được xác định là 1,25 lần khoảng thời gian T giữa các thời điểm xung đạt 10% và 90% giá trị đỉnh Thời gian toàn sóng T2 cũng cần được xem xét trong quá trình phân tích.
Thời gian toàn sóng T2 của dòng điện xung sét được xác định bằng khoảng thời gian từ điểm gốc giả định O1 đến khi điện áp giảm xuống nửa giá trị đỉnh Điểm gốc giả định O1 là giao điểm của đường thẳng nối giữa các điểm chuẩn 10% và 90% trên đầu sóng với trục thời gian Dung sai cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình đo đạc.
Thời gian tới nửa giá trị sóng: 10%
Mô hình máy phát xung sét
3.2.1 Mô hình máy phát xung dòng
Mô hình máy phát xung dòng có thể được đơn giản hóa thành một mạch điện như mô tả trong Hình 3.3, trong đó C đại diện cho điện dung giữa mây và đất, và sự phóng điện diễn ra qua một đường dẫn bao gồm điện cảm L nối tiếp với điện trở R.
Nguyên lý hoạt động của mô hình như sau:
Công tắc S ở vị trí (1) nạp điện áp vào tụ điện C, cho phép điều chỉnh dòng điện xung bằng cách thay đổi trị số điện áp nạp Khi điện áp nạp tăng cao, năng lượng nạp vào tụ điện cũng tăng theo, với công thức tính là W = 1/2CU².
Hình 3.3 Mô hình máy phát xung dòng sét
Khi công tắc S chuyển sang vị trí (2), xung quá độ sẽ được phát qua mạch Mạch phát xung dòng này là một mạch RLC nối tiếp Kết quả của bài toán quá độ này sẽ được trình bày như sau:
L , xung dòng không dao động Mẫu số có hai nghiệm phân biệt:
Phương trình (3.4) có thể viết dưới dạng: i(t) = [ 2 t 1 ] t t t e
HVTH: Nguyễn Văn Quang 17 Ở đây:
L = Rt1t2/( t1+t2) (3.12) Đặt p = t2/t1; I0 = U/RA thì (3.9) trở thành: i(t) = 0 [ 2 t 2 ] p t t t e e
Thời gian để giá trị i(t) tăng đến giá trị cực đại Imax trong thời gian Tm:
Tm =(t2lnp)/(p-1) hay Tm/t2 = (lnp) /(p –1) (3.14)
Thời gian Th để i(t) giảm xuống còn một nữa biên độ cực đại Imax được xác định như sau:
(1/2) Imax/ I0 = 1/(2 q) = exp(-Th/t2) - exp(-pTh /t2) (3.16)
Khi giá trị của p 5 thì:
L , xung dòng không dao động:
HVTH: Nguyễn Văn Quang 18 te t
L , xung dòng dao động theo công thức: t
Để xác định dạng xung theo quy định, cần lựa chọn các giá trị R, L, C phù hợp Bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp nguồn nạp cho tụ, chúng ta có thể đạt được biên độ xung mong muốn.
Bảng 3.1 Thông số các phần tử trong mạch phát xung dòng sét dạng sóng 8/20us Dạng xung C 1 (uF) L 1 (uH) R 1 ()
3.2.2 Mô hình máy phát xung áp
Mạch máy phát xung áp sét có ngõ ra hở mạch và có cấu tạo trình bày ở Hỉnh 3.4 Các phần tử R,L,C cũng được tính chọn tương tự như trên
Hình 3.4 Sơ đồ mạch phát xung áp
Bảng 3.2.Thông số các phần tử trong máy phát xung áp với các dạng khác nhau Dạng xung C 1 C 2 R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 L 1
10/700us 20uF 0.2uF 50 15 25 1M 0 0 Sau đây, kiểm tra độ chính xác ứng với dạng xung áp 10/700us như là một ví dụ: a Kiểm tra thời gian đầu sóng
Hình 3.5.Giai đoạn đầu sóng của dạng sóng áp
Hàm toán học của đường cong này là v(t) = Vp (1 – exp (-t/T))
Hằng số thời gian có thể xác định bằng biểu thức:
Với t(0.3) và t(0.9) được tính lần lượt theo công thức v(t)/Vp=0.3 và v(t)/Vp= 0.9
= 9.8 s 10us b Kiểm tra thời gian toàn sóng
Hình 3.6.Thời gian toàn sóng Đường cong này được biểu diễn bằng hàm sau v(t) = Vp exp (-t/T)
Với hằng số thời gian về cơ bản tính toán theo công thức T = R1C1
Và thời gian t2 được tính toán với v(t)/Vp = 0.5
Mô phỏng các dạng xung sét tiêu chuẩn
Mô hình máy phát xung dòng sét dạng sóng 8/20us được xây dựng với các thông số chi tiết trong Bảng 3.1, cùng với máy phát xung áp sét dạng sóng 1.2/50us.
10/700us với các thông số trong Bảng 3.2
Tiến hành mô phỏng các xung dòng sét và xung áp sét, kết quả như sau:
3.3.1.Máy phát xung dòng 8/20 us và dạng sóng mô phỏng
Hình 3.7 Sơ đồ máy phát xung dòng 8/20us
Hình 3.8 Giao diện máy phát xung dòng 3kA 8/20us
Hình 3.9 Dạng sóng mô phỏng
3.3.2.Máy phát xung áp 1.2/50 us và dạng sóng mô phỏng
Hình 3.10 Sơ đồ máy phát xung áp 5kV 1.2/50us
Hình 3.11 Giao diện máy phát xung áp 5kV 1.2/50us
Hỉnh 3.12 Dạng sóng mô phỏng máy phát xung áp 5kV 1.2/50us
3.3.3 Máy phát xung áp 10/700us và dạng sóng mô phỏng
Hình 3.13 Sơ đồ máy phát xung áp 5kA 10/700us
Hình 3 14 Giao diện máy phát 5kv 10/700us
Hình 3.15 Dạng sóng mô phỏng máy phát 5kV 10/700us
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Các thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây thoại có cấu tạo loại đơn tầng hay đa tầng Các phần tử bên trong bao gồm:
- Ống phóng khí (GDT) có khả năng tản sét cao (đến 20kA 8/20us) nhưng thời gian tác động chậm (hàng trăm ns);
- Diode zener có thời gian tác động nhanh (hàng ns) nhưng khả năng tản sét tương đối thấp (đến 5kA 8/20us)
- Điện trở hạn dòng, mắc nối tiếp
Để đảm bảo hiệu quả cao cho thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây thoại, cần kết hợp ba phần tử bảo vệ khác nhau trong một mạch bảo vệ.
Trong thực tế, để tiết kiệm chi phí, nhiều nơi chỉ sử dụng bảo vệ đơn tầng (GDT hoặc GDT+R) cho những khu vực có mức lộ thiên thấp Ngược lại, ở những khu vực có mức lộ thiên cao, thường áp dụng bảo vệ đa tầng (GDT+R+Zener Diode) để nâng cao hiệu quả bảo vệ.
4.1.1 Thiết bị chống sét trên đường dây thoại kiểu kết nối vặn vít (UTB- TA)
Thiết bị chống sét trên đường dây thoại (UTB-TA) được thiết kế với cấu tạo bảo vệ đơn tầng và kết nối kiểu vít vặn Điện trở R được nối tiếp với mạch để hạn chế dòng xung sét Phần tử GDT thường ở trạng thái hở mạch, nhưng sẽ chuyển sang trạng thái ngắn mạch để dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp giữa điện cực của GDT và đất vượt quá ngưỡng cho phép.
Hình 4.1 Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây thoại
4.1.2 Thiết bị chống sét trên đường Modem kiểu kết nối vặn vít (UTB- SA)
Thiết bị chống sét trên đường Modem (UTB-SA) có cấu tạo loại bảo vệ đa tầng, kết nối kiểu vít vặn (Hình 4.2)
Hình 4.2 Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường Modem
Phần tử GDT hở mạch sẽ trở thành ngắn mạch khi điện áp giữa điện cực và đất vượt ngưỡng, cho phép dòng xung sét xuống đất Điện trở R phân cách giữa GDT và Zener Diode giúp GDT hoạt động trước, dẫn phần lớn năng lượng sét xuống đất Zener Diode giữ điện áp ngõ ra ở mức thấp, đảm bảo an toàn cho thiết bị được bảo vệ.
4.1.3 Thiết bị chống sét cho 1 cặp dây thoại (SLP1K2) và 10 cặp dây thoại (SLP10-K1F) kiểu kết nối giá Krone
Thiết bị chống sét cho 1 cặp dây thoại (SLP1K2) được thiết kế với cấu trúc bảo vệ đa tầng và kết nối kiểu giá Krone Phần tử GDT trong thiết bị này hoạt động như một công tắc hở mạch, sẽ chuyển sang trạng thái ngắn mạch để dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp giữa điện cực GDT và đất vượt quá ngưỡng cho phép Điện trở R phân cách giữa tầng 1 (GDT) và tầng 2 (Zener Diode) giúp đảm bảo GDT hoạt động hiệu quả, dẫn dắt phần lớn năng lượng từ sét an toàn xuống đất.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 26 xuống đất Zener Diode có tác dụng cầm giữ điện áp ngõ ra ở mức thấp, đảm bảo an toàn cho thiết bị được bảo vệ
Hình 4.3 Cấu tạo thiết bị chống sét cho 1 cặp/10 cặp dây thoại
Để tiết kiệm chi phí, thiết bị chống sét cho 10 cặp dây thoại (SLP1K2) được thiết kế với cấu tạo bảo vệ đơn tầng và kết nối kiểu giá Krone Phần tử GDT hoạt động ở trạng thái hở mạch và sẽ chuyển sang trạng thái ngắn mạch khi điện áp giữa điện cực của GDT và đất vượt quá ngưỡng cho phép, giúp dẫn dòng xung sét an toàn xuống đất.
4.1.4.Thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11
Thiết bị chống sét cho đường dây thoại RJ11 (SLP1RJ11) được thiết kế với cấu trúc bảo vệ đơn tầng, bao gồm điện trở R để hạn chế dòng xung sét Phần tử GDT hoạt động ở trạng thái hở mạch và sẽ chuyển sang trạng thái ngắn mạch khi điện áp giữa điện cực GDT và đất vượt quá ngưỡng cho phép, giúp dẫn dòng xung sét an toàn xuống đất.
Thiết bị chống sét cho đường dây thoại RJ11 (SLP1RJ11A) sử dụng cấu trúc bảo vệ đa tầng, bao gồm phần tử GDT và Zener Diode GDT hoạt động như một công tắc hở, ngắn mạch dòng xung sét xuống đất khi điện áp vượt quá ngưỡng cho phép Điện trở R giữa tầng 1 và tầng 2 đảm bảo GDT hoạt động trước, dẫn phần lớn năng lượng sét xuống đất Zener Diode giữ điện áp đầu ra ở mức thấp, bảo vệ an toàn cho thiết bị.
Hình 4.4 Cấu tạo thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11 4.1.5 Các thông số chính
Các thông số chính của thiết bị chống sét trên đường thoại bao gồm:
Điện áp vận hành cực đại (UMCOV)
Dòng điện vận hành cực đại (IL)
Tần số tín hiệu tương tự (MHz)
Tần số tín hiệu số (Mb/s)
Suy hao xen vào (dB)
Dòng xung cực đại (Imax)
Điện áp bảo vệ ứng với xung dòng tiêu chuẩn (UL)
Chuẩn đầu kết nối: Krone, RJ11, ….
Mô hình ống phóng điện khí GDT
5.1.1 Tổng quan về ống phóng điện khí Ống phóng khí (GDT- Gas Discharge Tube) là sản phẩm cải tiến của khe hở phóng điện, thích hợp cho bảo vệ mạng viễn thông Loại thường sử dụng cho mạng viễn thụng cú đường kớnh 3/8 inch và dày ẳ inch [5] Mặt cắt ngang của ống phúng điện khí trình bày ở Hình 5.1 Nó gồm có một vỏ thủy tinh hoặc sứ bên ngoài và bên trong chứa đầy khí trơ áp suất thấp với hai điện cực ở hai bên Hầu hết ống phóng khí đều có chứa chất phát xạ để ổn định điện áp phóng điện Do có kích thước nhỏ và khe hở khá rộng nên điện dung rất thấp (vài pF) Khi không hoạt hóa thì trạng thái tổng trở ngắt hoặc điện trở cách điện rất lớn
Các thông số kỹ thuật chính của ống phóng điện khí bao gồm:
Điện áp phóng điện biến thiên chậm khoảng 5000V/s Giá trị điện áp một chiều trong phạm vi từ 75V đến 300V
Điện áp dư cực đại vào khoảng 60% đến 70% điện áp phóng điện
Điện áp hồ quang là điện áp xuất hiện qua thiết bị khi có sự dẫn điện, thường dao động từ 3V đến 10V Tuy nhiên, trong trường hợp xung dòng cực đại, điện áp này có thể vượt quá 30V.
Dòng xung cực đại, đối với sóng 8/20us từ 10kA đến 20kA, sử dụng cho thiết bị viễn thông
Hình 5.1 Mặt cắt ngang của ống phóng khí
HVTH: Nguyễn Văn Quang 31 Ống phóng khí có các ưu điểm sau:
Khả năng chịu dòng cao;
Trạng thái tổng trở ngắt cao Ống phóng khí có các khuyết điểm sau:
Thời gian đáp ứng thấp;
Tuổi thọ có giới hạn;
Điện áp thông qua cao;
Hư hỏng ở trạng thái hở mạch
Thời gian đáp ứng của ống phòng điện khí trình bày ở Hình 5.2
Hình 5.2 Thời gian đáp ứng của ống phóng khí 5.1.2 Các loại mô hình ống phóng khí
Mô hình ống phóng điện khí của Kraft, được trình bày trong Hình 5.3, là mô hình đầu tiên được phát triển để mô phỏng hiện tượng cháy khi sét đánh vào hệ thống cao áp Mô hình này sử dụng nguồn áp Vbreak để tạo điện áp đánh thủng; khi điện áp bên ngoài vượt quá mức này, dòng điện sẽ bắt đầu chảy và được đo bởi Vsense, đồng thời ngắt công tắc S Điện cảm L trong mạch giúp giới hạn sự gia tăng của dòng điện theo thời gian, trong khi hồ quang được mô phỏng bằng hai điện trở R1 và R2.
Thời gian đáp ứng (ns) Đi ện á p phó ng đi ện (kV)
HVTH: Nguyễn Văn Quang 32 đã phát triển một mô hình ổn định số, hoạt động như một phương tiện trung gian cho mô hình ống phóng điện khí Tuy nhiên, hạn chế của mô hình này là sự triệt hồ quang chỉ ổn định trong một dãy thông số nhất định, và điện trở hồ quang không thể điều chỉnh tùy ý.
Hình 5.3 Mô hình ống phóng khí SPICE của Kraft
Mô hình ống phóng điện khí trong ATP-EMTP được Larsson giới thiệu lần đầu và sau đó đã được phát triển, ứng dụng rộng rãi vào nhiều hệ thống khác nhau.
Mạch tương đương của mô hình ống phóng khí được mô tả trong Hình 5.4, bao gồm điện trở R1 (điện trở rò), tụ C1 (điện dung khe hở), điện cảm L1 của dây dẫn, và điện trở Rc của công tắc Các thông số R1 và Rc được xác định dựa trên kinh nghiệm, trong khi C1 được ước lượng thông qua tính toán trường Điện cảm của dây dẫn khoảng 1nH/mm Hai khối SC (khối điều khiển công tắc) và RC (khối điều khiển điện trở) chứa mô hình đặc tính phóng điện của khe hở.
Trong môi trường ATP-EMTP, công tắc được mô phỏng dưới dạng bộ điều khiển TACS loại TYPE 13, trong khi điện trở là bộ điều khiển TACS loại TYPE 91 Khối này chứa các mã được ghi trong ngôn ngữ MODELS, phục vụ cho việc mô phỏng trong ATP-EMTP Các ngõ vào của khối bao gồm điện áp nút và dòng điện nhánh của mạch, trong khi ngõ ra là tín hiệu điều khiển gửi đến phần tử TACS Điện áp đánh thủng và dòng điện dập tắt phóng điện được mô hình hóa trong khối SC Sau khi thời gian trễ qua, công tắc sẽ đóng lại và điện trở sẽ phụ thuộc vào thời gian.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 33 được mô hình theo phương trình của Toepler là trong trong khối RC Điện trở hồ quang được mô hình trong khối RC
Hình 5.4 Mô hình ống phóng khí bằng SPICE của Larsson
3 Mô hình ống phóng khí đề xuất a Sơ đồ nguyên lý ống phóng khí đơn
Mô hình này được phát triển dựa trên ý tưởng của mô hình ống phóng điện Larsson, với một số điều chỉnh đáng chú ý Điện trở R1, đại diện cho điện trở rò của khe hở, có giá trị khoảng 100MΩ và được nối song song với khoá đóng cắt K Điện dung của khe hở C1, với giá trị khoảng 2pF, thường được bỏ qua do không ảnh hưởng đáng kể Ngoài ra, điện cảm của dây dẫn khe hở L1 khoảng 1nH/mm chủ yếu chỉ giới hạn sự tăng trưởng của dòng theo thời gian, nên cũng thường được xem nhẹ.
Giá trị điện trở của khe hở trong quá trình đánh thủng phụ thuộc vào thời gian, được mô tả theo phương trình của Toepler trong khối RC mà không cần xem xét các yếu tố khác.
Sơ đồ tương đương của mô hình ống phóng khí đơn được trình bày trong Hình 5.5
Mô hình ống phóng điện khí được đề xuất trong Hình 5.5 cho thấy điện áp đánh thủng là thông số quan trọng của khối công tắc điều khiển SC Khi điện áp tại khe hở ống phóng điện khí (trên khóa đóng cắt K) đạt đến giá trị điện áp đánh thủng, một khoảng thời gian trễ sẽ được tính toán theo công thức nội suy kinh nghiệm, thường dao động từ 10 đến 100 micro giây, tùy thuộc vào độ dốc xung quá áp (dV/dt).
Khi điện áp giữa hai cực của khe hở đạt giá trị đánh thủng, hiện tượng phóng điện không xảy ra ngay lập tức mà cần một khoảng thời gian trễ, được gọi là thời gian chậm phóng điện, phụ thuộc vào độ dốc của xung quá áp Trong trạng thái hồ quang bùng cháy, điện áp hồ quang duy trì ở mức khá ổn định, với giá trị điển hình cho các ống phóng điện hạ áp là từ 10-25V Trong mô hình đề xuất, điện áp hồ quang được thay thế bằng giá trị điện trở hồ quang Rarc (1-2mΩ) nối tiếp với khóa đóng cắt.
Mô hình ống phóng điện khí là thiết bị hai cực với đặc tính đối xứng hai chiều Cần lưu ý rằng khóa đóng cắt của khe hở không khí không thể chuyển sang trạng thái "off" khi cường độ dòng điện giảm xuống dưới giá trị duy trì (thường là 100 mA) hoặc khi điện áp giảm xuống dưới mức phát sinh hồ quang.
Thông số của mô hình ống phóng điện khí được xác định từ các thông số cung cấp bởi nhà sản xuất:
Điện áp đánh thủng Vbreak
Thời gian trễ hay thời gian trì hoãn chậm phóng điện của khe hở td
HVTH: Nguyễn Văn Quang 35 b Xây dựng mô hình ống phóng khí đơn
- Khối đóng cắt SC (Hình 5.6):
Khối V1 (đo điện áp) thực hiện việc đo điện áp giữa hai điện cực của khe hở Tín hiệu điện áp liên tục này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu rời rạc để tăng tốc quá trình xử lý và tránh các vòng lặp đại số, nhờ vào khối Transfer Fcn với chu kỳ lấy mẫu 0.001us Tín hiệu đầu ra của khối Transfer Fcn được lấy trị tuyệt đối qua một khối xử lý tiếp theo.
Abs sẽ đi vào khối so sánh (Compare to Constant) để so sánh với giá trị điện áp đánh thủng Vb của khe hở Khi điện áp tại hai cực khe hở vượt quá Vb, ngõ ra của khối Compare to Constant sẽ phát tín hiệu điều khiển (logic 1) để đóng khóa Breaker Tuy nhiên, thực tế cho thấy khe hở không khí chỉ bị đánh thủng sau một khoảng thời gian trễ, gọi là thời gian chậm phóng điện, vì vậy tín hiệu đóng khóa Breaker sẽ được đưa qua một khối thời gian trễ (Unit delay) với thời gian trễ là td.
Hình 5.6 Sơ đồ khối điều khiển SC
Sơ đồ khối khe hở trong Hình 5.5 tương đương với khối Breaker, bao gồm hai điện trở R1 và Rarc được khai báo trong khối này Điện trở rò R1 có giá trị 100MΩ, được chỉ định trong thông số Snubber resistance Rs, trong khi điện trở hồ quang Rarc có giá trị 2MΩ, được ghi trong thông số Breaker resistance Ron Khối Breaker hoạt động với tín hiệu điều khiển từ bên ngoài (External control mode) và có trạng thái ban đầu mở (Initial state bằng 0) Giao diện của khối Breaker được thể hiện trong Hình 5.7.
Hình 5.7 Giao diện khối Breaker
- Liên kết khối điều khiển đóng cắt và khối khe hở lại thành sơ đồ mô phỏng đơn giản hóa có dạng (Hình 5.8):
Hình 5.8 Sơ đồ mô phỏng phóng điện khí trong MATLAB
Mô hình TVS Zener Diode
a Cấu tạo và đặc tính
The Zener Diode, specifically the Zener TVS (Transient Voltage Suppression), is constructed from a p-n silicon junction It features a larger surface area to operate effectively under reverse voltage while managing higher current levels than standard diodes, functioning as a voltage regulation device.
Một số nhà chế tạo sử dụng diện tích bán dẫn mesa nhỏ kết hợp với bộ tản nhiệt bằng kim loại để xử lý dòng xung đỉnh lớn nhất Tuy nhiên, việc sử dụng khuôn bán dẫn planar die có điện tích lớn có thể dẫn đến dòng rò và hệ số kẹp nhỏ Hình 5.17 minh họa tiết diện cắt ngang của bán dẫn planar die, cùng với một số khuôn mẫu được trình bày trong Hình 5.18.
Hình 5.17 Mặt cắt ngang của Diode Zener
Hình 5.18 Các dạng khuôn mẫu TVS Zener Diode
Các thông số kỹ thuật về điện bao gồm:
Điện áp vận hành cực đại, có giá trị điện áp từ 5V đến 250V
Vỏ Plastic Lớp bán dẫn Mối hàn
Điện áp đánh thủng ngược cực đại, xác định điện áp xung đỉnh xoay chiều hay một chiều mà diode có thể chịu được
Dòng xung đỉnh là giới hạn trên cao nhất mà ở đó thiết bị được hi vọng là sẽ có tuổi thọ cao
Điện áp kẹp đỉnh là điện áp đỉnh mà diode cầm giữ được khi xuất hiện quá áp Thường hệ số kẹp có giá trị khoảng 1,1÷1,2
Năng lượng xung đỉnh là năng lượng tiêu tán tức thời ở điều kiện xung đánh giá Thường giá trị năng lượng xung đỉnh là 500W, 600W và1.500W cho dạng sóng 10/1000us
Dòng rò có giá trị tương đối cao trong các hệ thống hạ áp công nghiệp, dao động từ 500uA đến 1000uA, nhưng có thể giảm xuống còn 5uA hoặc thấp hơn khi điện áp vượt quá 10V.
Diode phổ biến 1500W thường có dung kháng vượt quá 10.000pF tại điểm phân cực 0 với điện áp 6.8V, và sẽ giảm theo hàm mũ xuống dưới 100pF khi hoạt động ở điện áp 220V.
Dung kháng ảnh hưởng đến đường tín hiệu ở tần số cao, đặc biệt trong mạch điện truyền dữ liệu tốc độ cao Khi ghép nối tiếp hai diode, dung kháng sẽ thấp hơn, với diode trên (Ds) hoạt động ở dòng phân cực 0 trong điều kiện bình thường Diode này có diện tích nhỏ hơn nhiều so với diode TVS (Dz) nhờ yêu cầu năng lượng tiêu tán thấp Tuy nhiên, diode Ds thường không được sử dụng ở chế độ thác, do đó, nếu xảy ra điện áp âm vượt quá điện áp ngược của hai diode, diode có năng lượng thấp cần được bảo vệ bằng diode khác (Dp) như hình 5.19 Sắp xếp này phù hợp với trường hợp tín hiệu trên đường dẫn luôn dương Khi truyền tín hiệu xoay chiều, diode Dp phải được thay thế bằng khối có dung kháng thấp khác, kết nối ngược song song.
Tốc độ ngắt dẫn là một đặc tính quan trọng của Diode Zener TVS, với hiệu ứng thác xảy ra chỉ trong vài pico giây Mặc dù các thử nghiệm lý thuyết tương ứng rất khó thực hiện, nhưng trong thực tế, thiết bị này có thời gian đáp ứng gần như ngay lập tức.
Diode tiếp giáp p-n là loại diode chỉ cho dòng điện đi theo một hướng Để áp dụng cho tín hiệu xoay chiều, cần sử dụng một thiết bị đa hướng bằng cách kết nối hai diode đơn hướng ngược chiều nhau Thông thường, các nhà sản xuất sử dụng cấu hình PNP hoặc NPN Vùng trung tâm của diode được thiết kế rộng hơn, tương tự như cực B của transistor, nhằm giảm thiểu hoạt động của transistor, từ đó hạn chế dòng rò.
Hình 5.19 Ghép Zener Diode với 2 diode
Hình 5.20 Biểu tượng mô hình Zener Diode
Diode Zener có cơ chế không già hóa, hoạt động ở hai trạng thái: tốt hoặc ngắn mạch khi quá tải Chúng có tuổi thọ lâu dài mà không suy giảm, bất chấp các thông số trước khi hư hỏng Hư hỏng thường xảy ra do quá áp, khi bộ tản nhiệt bằng kim loại của chip silicon không hoạt động hiệu quả khi quá nhiệt Tương tự như MOV, chip silicon dễ hư hỏng khi ở trạng thái ngắn mạch kéo dài hoặc khi chịu xung lớn vượt quá khả năng Diode Zener có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng chịu xung lặp lại cao, hệ số kẹp thấp, thời gian tác động nhanh (hàng ns), không già hóa, dãy điện áp rộng và hư hỏng chỉ xảy ra ở trạng thái ngắn mạch.
Nhược điểm của Diode Zener là: dòng xung không lặp lại thấp, dung kháng cao với điện áp thấp
Diode Zener được sử dụng để bảo vệ các thiết bị vi xử lý nhờ vào tốc độ đáp ứng nhanh và hệ số kẹp thấp, đặc biệt trên các thanh góp DC và các cổng nhập/xuất Mô hình TVS Zener Diode cung cấp giải pháp hiệu quả cho việc bảo vệ mạch điện.
Mô hình TVS Zener Diode được cấu thành từ mô hình Zener Diode có trong thư viện của Mallab, ghép với 2 diode theo sơ đồ Hình 5.19
Các thông số cần nhập của Zener Diode bao gồm (Hình 5.21):
- Điện áp ổn áp (Zener Voltage Vz-V)
- Tổng trở động (Dynamic Impedance Zzt-Ω)
- Tổng trở đầu gối (Knee Impedance Zzk- Ω)
- Dòng làm việc lâu dài cực đại (Maximum Continuous Current Izm-A)
- Điện áp phân cực thuận (Forward Voltage Drop Vf-V)
- Điện trở phân cực thuận (On Resistance Ron- Ω)
Hình 5.21 Giao diện nhập thông số Zener Diode
Hai diode còn lại được chọn để phù hợp với thông số của diode TVS Zener, nhằm giảm điện dung tiêu tán và bảo vệ hai diode mắc nối tiếp khỏi điện áp ngược có thể gây hại Việc kiểm tra độ chính xác của mô hình là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Sử dụng mô hình xung áp 5kV 10/700us kiểm tra đáp ứng của mô hình TVS Zener Diode vừa xây dựng như sơ đồ Hình 5.22
Hình 5.22 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của TVS Zener Diode
Mô hình hóa và mô phỏng TVS Zener Diode P 4 K E 3 0 v à P 4 K E 2 0 của hãng V i s h a y với thông số cho trong Bảng 5.2
Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật TVS Zener Diode của Hãng Vishay
Loại Điện áp làm việc max (V)
Dòng xung làm việc cực đại (KA) Điện áp ổn áp ứng với xung 5kV 10/700V
Tiến hành thử nghiệm đáp ứng của TVS Zener Diode ứng với xung 5kV 10/700us được trình bày trong Hình 5.23, 5.24
Hình 5.23 Điện áp ổn áp của P4KE30 với xung áp 5kV 10/700us
Hình 5.24 Điện áp ổn áp của P4KE20 với xung áp 5kV 10/700us
So sánh kết quả mô phỏng với giá trị được cho trong catalogue, sai số mô hình được tổng hợp trong Bảng 5.3
Bảng 5.3 Kết quả so sánh khi mô phỏng TVS Zener Diode của Hãng Vishay
Loại TVS Zener Diode P4KE30 P4KE20
Sử dụng mô hình và mô phỏng TVS Zener Diode của hãng Crydom loại BZY91C68 và BZY91C39 có thông số cho trong Bảng 5.4
Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật TVS Zener Diode của Hãng Crydrom
Loại Điện áp làm việc max (V)
Dòng xung làm việc cực đại (A) Điện áp ổn áp ứng với xung 5kV 10/700V
Tiến hành thử nghiệm đáp ứng của TVS Zener Diode ứng với xung 5kV 10/700us được trình bày trong Hình 5.25, 5.26
Hình 5.25 Điện áp ổn áp của BZY91C68với xung áp 5kV 10/700us
Hình 5.26 Điện áp ổn áp của BZY91C39 với xung áp 5kV 10/700us
So sánh kết quả mô phỏng với giá trị được cho trong catalogue, sai số mô
HVTH: Nguyễn Văn Quang 48 hình được tổng hợp trong Bảng 5.5
Bảng 5.5 Kết quả so sánh khi mô phỏng Zener Diode của Hãng Crydom
Loại TVS Zener Diode BZY91C68 BZY91C39
Theo kết quả tổng hợp từ mô phỏng đáp ứng của mô hình TVS Zener Diode từ nhiều nhà sản xuất, mô hình đề nghị cho thấy độ chính xác cao với sai số điện áp dư tối đa là 3,68% và tối thiểu là 1,56%.
Mô hình thiết bị chống sét lan truyền trên đường thoại (UTB, SLP)
Hình 5.27 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của UTB TA 3kA 8/20us
Hình 5.28 Dạng sóng điện áp dư của UTB -TA 3kA 8/20us
Bảng 5.6 Kết quả so sánh điện áp dư của mô hình thiết bị chống sét UTB -TA ứng với xung dòng 3kA 8/20us
Xung thử UTB -TA MÔ HÌNH Sai số(%)
Giá trị đỉnh điện áp dư của mô hình có sai số cho phép là 6.98% so với giá trị điện áp dư của thiết bị UTB-TA do nhà sản xuất cung cấp.
Hình 5.29 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của UTB - SA 3kA 8/20us
Hình 5.30 Dạng sóng điện áp dư của UTB -SA 3kA 8/20us
Bảng 5.7 Kết quả so sánh điện áp dư của mô hình thiết bị chống sét UTB -SA ứng với xung dòng 3kA 8/20us
Xung thử UTB -SA MÔ HÌNH Sai số(%)
Giá trị đỉnh điện áp dư của mô hình cho thấy sai số nằm trong phạm vi cho phép, đạt 4.7% so với giá trị điện áp dư của thiết bị UTB-SA do nhà sản xuất cung cấp.
Hình 5.31 Dạng sóng điện áp dư của SLP1RJ11 0.5KA 8/20us
Bảng 5.8 Kết quả so sánh điện áp dư của mô hình thiết bị chống sét SLP1RJ11ứng với xung dòng 0.5kA 8/20us
Xung thử SLP1RJ11 MÔ HÌNH Sai số(%)
Giá trị đỉnh điện áp dư của thiết bị chống sét SLP1RJ11 cho thấy sai số nằm trong phạm vi cho phép, với mức chênh lệch chỉ 3.7% so với giá trị điện áp dư do nhà sản xuất cung cấp.
Hình 5.32 Dạng sóng điện áp dư của SLP1RJ11A 0.5kA 8/20us
Bảng 5.9 Kết quả so sánh điện áp dư của mô hình thiết bị chống sét SLP1RJ11A ứng với xung dòng 0.5kA 8/20us
Xung thử SLP1RJ11A MÔ HÌNH Sai số(%)
Giá trị đỉnh điện áp dư của mô hình có sai số cho phép so với thiết bị SLP1RJ11A do nhà sản xuất cung cấp là 3.74%.
Các thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây thoại có cấu tạo loại đơn tầng hay đa tầng Các phần tử bên trong bao gồm:
- Ống phóng khí (GDT) có khả năng tản sét cao (đến 20kA 8/20us) nhưng thời gian tác động chậm (hàng trăm ns);
- Diode zener có thời gian tác động nhanh (hàng ns) nhưng khả năng tản sét tương đối thấp (đến 5kA 8/20us)
- Điện trở hạn dòng, mắc nối tiếp
Để đảm bảo hiệu quả cao cho thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây thoại, việc kết hợp ba phần tử bảo vệ khác nhau trong một mạch bảo vệ là rất cần thiết.
Trong thực tế, để tiết kiệm chi phí, có thể chỉ sử dụng bảo vệ đơn tầng (GDT hoặc GDT+R) ở những khu vực có mức lộ thiên thấp Ngược lại, ở những nơi có mức lộ thiên cao, việc áp dụng bảo vệ đa tầng (GDT+R+Zener Diode) sẽ giúp tăng cường hiệu quả bảo vệ.
4.1.1 Thiết bị chống sét trên đường dây thoại kiểu kết nối vặn vít (UTB- TA)
Thiết bị chống sét trên đường dây thoại (UTB-TA) được thiết kế với cấu tạo bảo vệ đơn tầng và kết nối kiểu vít vặn Điện trở R được nối tiếp trong mạch nhằm hạn chế dòng xung sét Phần tử GDT thường ở trạng thái hở mạch, nhưng sẽ trở thành ngắn mạch để dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp giữa điện cực của GDT và đất vượt quá ngưỡng cho phép.
Hình 4.1 Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây thoại
4.1.2 Thiết bị chống sét trên đường Modem kiểu kết nối vặn vít (UTB- SA)
Thiết bị chống sét trên đường Modem (UTB-SA) có cấu tạo loại bảo vệ đa tầng, kết nối kiểu vít vặn (Hình 4.2)
Hình 4.2 Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường Modem
Phần tử GDT hở mạch sẽ chuyển thành ngắn mạch khi điện áp qua điện cực vượt quá ngưỡng, giúp dẫn dòng xung sét xuống đất Điện trở R phân cách giữa GDT và Zener Diode đảm bảo GDT hoạt động trước, dẫn phần lớn năng lượng sét xuống đất Zener Diode giữ điện áp ngõ ra ở mức thấp, bảo vệ an toàn cho thiết bị.
4.1.3 Thiết bị chống sét cho 1 cặp dây thoại (SLP1K2) và 10 cặp dây thoại (SLP10-K1F) kiểu kết nối giá Krone
Thiết bị chống sét cho cặp dây thoại (SLP1K2) được thiết kế với cấu trúc bảo vệ đa tầng và kết nối kiểu giá Krone Phần tử GDT hoạt động như một công tắc hở mạch, sẽ trở thành ngắn mạch để dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp giữa điện cực của GDT và đất vượt quá ngưỡng cho phép Điện trở R phân cách giữa tầng 1 (GDT) và tầng 2 (Zener Diode) giúp đảm bảo rằng GDT hoạt động trước, từ đó dẫn phần lớn năng lượng sét một cách hiệu quả.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 26 xuống đất Zener Diode có tác dụng cầm giữ điện áp ngõ ra ở mức thấp, đảm bảo an toàn cho thiết bị được bảo vệ
Hình 4.3 Cấu tạo thiết bị chống sét cho 1 cặp/10 cặp dây thoại
Để tiết kiệm chi phí, thiết bị chống sét cho 10 cặp dây thoại (SLP1K2) được thiết kế với cấu tạo bảo vệ đơn tầng và kết nối kiểu giá Krone Phần tử GDT trong thiết bị này thường ở trạng thái hở mạch, nhưng sẽ chuyển sang trạng thái ngắn mạch để dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp giữa điện cực của GDT và đất vượt quá ngưỡng cho phép.
4.1.4.Thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11
Thiết bị chống sét cho đường dây thoại RJ11 (SLP1RJ11) được thiết kế với cấu tạo bảo vệ đơn tầng Điện trở R được kết nối tiếp với mạch để hạn chế dòng xung sét Phần tử GDT thường ở trạng thái hở mạch và sẽ chuyển sang ngắn mạch, dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp giữa điện cực của GDT và đất vượt quá ngưỡng cho phép.
Thiết bị chống sét cho đường dây thoại RJ11 (SLP1RJ11A) được thiết kế với cấu trúc bảo vệ đa tầng, bao gồm phần tử GDT và Zener Diode GDT hoạt động như một công tắc hở, trở thành ngắn mạch khi điện áp vượt ngưỡng, giúp dẫn dòng xung sét xuống đất Điện trở R giữa GDT và Zener Diode đảm bảo GDT hoạt động trước, dẫn phần lớn năng lượng sét xuống đất Zener Diode giữ điện áp ngõ ra ở mức thấp, bảo vệ an toàn cho thiết bị kết nối.
Hình 4.4 Cấu tạo thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11 4.1.5 Các thông số chính
Các thông số chính của thiết bị chống sét trên đường thoại bao gồm:
Điện áp vận hành cực đại (UMCOV)
Dòng điện vận hành cực đại (IL)
Tần số tín hiệu tương tự (MHz)
Tần số tín hiệu số (Mb/s)
Suy hao xen vào (dB)
Dòng xung cực đại (Imax)
Điện áp bảo vệ ứng với xung dòng tiêu chuẩn (UL)
Chuẩn đầu kết nối: Krone, RJ11, …
4.2 Yêu cầu kỹ thuật và điều kiện lựa chọn
Theo quy phạm chống sét cho các công trình viễn thông TCN -174: 1998 của Tổng cục Bưu điện, điều 9, mục 1, các thiết bị chống sét trên đường thoại cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc bảo vệ hệ thống viễn thông khỏi tác động của sét.
Thiết bị phải có khả năng chịu được dòng xung sét dạng sóng 8/20us có biên độ không nhỏ hơn 5kA
Thời gian nhạy đáp ứng của thiết bị không được lớn hơn 5ns đối với sóng xung áp có độ dốc 2kV/ns
Tỷ số sóng đứng cho toàn bộ dải tần làm việc không lớn hơn 1,5:1
Suy hao xen vào của thiết bị bảo vệ phải nhỏ hơn 0.5dB trong dải tần làm việc
Dải nhiệt độ làm việc của thiết bị rộng, thích nghi với điểm lắp đặt
Điện dung của thiết bị chống sét không được lớn hơn 3pF
Thiết bị có trở kháng và loại đầu nối thích hợp
Thiết bị phải chịu được ít nhất là 400 lần đối với sóng dạng 10/1000us có biên độ 500A
Thiết bị chống sét trên đường thoại được chọn theo các điều kiện sau:
1 Dòng xung sét cực đại với dạng sóng sét chuẩn 8/20us
Isđmc là biên độ xung sét tối đa mà thiết bị chống sét có khả năng chịu đựng (kA), trong khi Ismax là biên độ xung sét tối đa đã được ghi nhận tại vị trí lắp đặt thiết bị chống sét (kA).
2 Điện áp làm việc cực đại
Với: UMCOV là điện áp vận hành định mức của thiết bị chống sét trên đường thoại (V); Ulvmax là điện áp làm việc cực đại (V)
3 Tốc độ truyền tín hiệu: fmax > fđm
Tốc độ truyền định mức của mạng được ký hiệu là fđm, tính bằng MHz hoặc Mb/s, trong khi fmax đại diện cho tốc độ truyền tín hiệu cực đại của thiết bị chống sét trên đường thoại, cũng được đo bằng MHz hoặc Mb/s.
Up< 480V ứng với xung dòng 3kA 8/20us
5 Suy hao xen vào: ΔS < 0.5dB
6 Đầu nối phù hợp: Krone, RJ11,…
7 Đáp ứng các tiêu chuẩn áp dụng hiện hành
Chương 5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ CHỐNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG THOẠI 5.1 Mô hình ống phóng điện khí GDT
Ống phóng điện khí (GDT - Gas Discharge Tube) là sản phẩm cải tiến của khe hở phóng điện, được thiết kế đặc biệt để bảo vệ mạng viễn thông Thường được sử dụng cho mạng viễn thông có đường kính 3/8 inch và độ dày 1 inch, ống phóng điện khí có cấu trúc bao gồm vỏ thủy tinh hoặc sứ bên ngoài và chứa khí trơ áp suất thấp bên trong, với hai điện cực ở hai đầu Hầu hết các ống phóng khí đều có chứa chất phát xạ nhằm ổn định điện áp phóng điện Với kích thước nhỏ gọn và khe hở rộng, điện dung của ống rất thấp, chỉ vài pF, trong khi trạng thái không hoạt động cho thấy tổng trở ngắt hoặc điện trở cách điện rất lớn.
Các thông số kỹ thuật chính của ống phóng điện khí bao gồm:
Điện áp phóng điện biến thiên chậm khoảng 5000V/s Giá trị điện áp một chiều trong phạm vi từ 75V đến 300V
Điện áp dư cực đại vào khoảng 60% đến 70% điện áp phóng điện
Điện áp hồ quang là điện áp xuất hiện qua thiết bị khi có dòng điện chạy qua, thường dao động từ 3V đến 10V, nhưng có thể vượt quá 30V trong trường hợp xung dòng cực đại.
Dòng xung cực đại, đối với sóng 8/20us từ 10kA đến 20kA, sử dụng cho thiết bị viễn thông
Hình 5.1 Mặt cắt ngang của ống phóng khí
HVTH: Nguyễn Văn Quang 31 Ống phóng khí có các ưu điểm sau:
Khả năng chịu dòng cao;
Trạng thái tổng trở ngắt cao Ống phóng khí có các khuyết điểm sau:
Thời gian đáp ứng thấp;
Tuổi thọ có giới hạn;
Điện áp thông qua cao;
Hư hỏng ở trạng thái hở mạch
Thời gian đáp ứng của ống phòng điện khí trình bày ở Hình 5.2
Hình 5.2 Thời gian đáp ứng của ống phóng khí 5.1.2 Các loại mô hình ống phóng khí
Mô hình ống phóng điện khí của Kraft, được trình bày trong Hình 5.3, là mô hình đầu tiên được phát triển để mô phỏng hiện tượng cháy khi có sét đánh trong hệ thống cao áp Mô hình này sử dụng nguồn áp Vbreak để tạo ra điện áp đánh thủng; khi điện áp bên ngoài vượt quá giá trị này, dòng điện bắt đầu chảy và được đo bởi Vsense, đồng thời ngắt công tắc S Điện cảm L trong mạch giới hạn sự tăng trưởng của dòng điện theo thời gian, trong khi hồ quang được mô hình hóa bằng hai điện trở R1 và R2.
Thời gian đáp ứng (ns) Đi ện á p phó ng đi ện (kV)
HVTH: Nguyễn Văn Quang 32 đã phát triển mô hình ổn định số, được sử dụng như một phương tiện trung gian cho mô hình ống phóng điện khí Tuy nhiên, mô hình này có hạn chế là sự triệt hồ quang chỉ ổn định trong một dãy thông số nhất định, và điện trở hồ quang không thể điều chỉnh tùy ý.
Hình 5.3 Mô hình ống phóng khí SPICE của Kraft
