Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường điện thoại

Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh TÓM TẮT Luận văn “Mơ hình hóa mơ thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền đường điện thoại” sâu vào nghiên cứu lập mơ hình máy phát xung áp sét dạng sóng 1.2/50us, 10/700us, xung dịng sét dạng sóng 8/20us phù hợp với tiêu chuẩn viễn thơng; mơ hình phần tử bảo vệ sử dụng thiết bị chống sét lan truyền đường điện thoại như: GDT, TVS Zener Diode, mơ hình thiết bị bảo vệ như: UTB, SLP Mức tương thích mơ hình so với nguyên mẫu, kiểm nghiệm cách phân tích kết mô với số liệu thử nghiệm cung cấp nhà sản xuất Độ xác mơ hình phần tử bảo vệ: GDT thấp 1%, TVS Zener Diode thấp 4%, mơ hình thiết bị bảo vệ: UTB thấp 7%, SLP1RJ thấp 4% Luận văn phân tích có nhận xét cụ thể hiệu bảo vệ chống sét mơ hình cụ thể đường thoại Luận văn cung cấp công cụ mô hình hố mơ hữu ích mơi trường Matlab cho nhà nghiên cứu, NCS, học viên cao học ngành Kỹ thuật điện việc nghiên cứu hành vi đáp ứng thiết bị chống sét lan truyền đường thoại tác động xung sét lan truyền điều kiện đo thử thực tế iv Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh ABSTRACT Thesis "Modeling and simulation equipment protection against lightning spreading over the telephone line" going into the study and modeling of the pulse generator voltage lightning waveforms 1.2 / 50us, 10 / 700us, and lightning current pulse waveform / 20us accordance with telecommunications standards; model protection elements used in lightning protection devices spread over the phone line like: GDT, TVS Zener Diode, and models of protective equipment such as: UTB, SLP Compatibility level of the model than the prototype, tested by analyzing the simulation results with the experimental data provided by the manufacturers The accuracy of the model elements of protection: GDT lower than 1%, TVS Zener Diode 4% lower, and the protective device model: UTB lower than 7%, 4% lower SLP1RJ Thesis also analyzes and specific comments on the effectiveness of lightning protection each specific model on the phone line Thesis provides tools to model and simulate useful in Matlab environment for the researchers, PhD student, and graduate students in Electrical Engineering in the study of the behavior and response of the equipment Surge protection on telephone lines under the impact of surge propagation conditions can not practical test v Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh MỤC LỤC Trang LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH HÌNH ix DANH SÁCH BẢNG xi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT xii Chương: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tính cấp thiết đề tài .1 1.2 Mục tiêu nhiện vụ luận văn 1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Các bước tiến hành 1.5 Điểm luận văn 1.6 Giá trị thực tiễn đề tài 1.7 Nội dung luận văn .4 Chương CÁC TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG THOẠI 2.1 Tiêu chuẩn TIA-968-A, TIA-968-B 2.2 Tiêu chuẩn GR 1089 2.3 Tiêu chuẩn ITU-T K.20 K.21 .10 2.4 Tiêu chuẩn UL 60950 .11 Chương 13 MƠ HÌNH MÁY PHÁT XUNG CHUẨN .13 3.1 Các dạng xung sét tiêu chuẩn 13 vi Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 3.1.1 Các thông số xung áp sét tiêu chuẩn 13 3.1.2 Các thông số xung dòng sét tiêu chuẩn .14 3.2 Mơ hình máy phát xung sét .15 3.2.1 Mơ hình máy phát xung dòng 15 3.2.2 Mơ hình máy phát xung áp 18 3.3 Mô dạng xung sét tiêu chuẩn 20 3.3.1 Máy phát xung dịng 8/20 us dạng sóng mơ 20 3.3.2 Máy phát xung áp 1.2/50 us dạng sóng mơ .22 3.3.3 Máy phát xung áp 10/700us dạng sóng mơ .23 Chương: .24 THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY THOẠI 24 4.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc .24 4.1.1 Thiết bị chống sét đường dây thoại kiểu kết nối vặn vít (UTB-TA) .24 4.1.2 Thiết bị chống sét đường Modem kiểu kết nối vặn vít (UTB-SA) 25 4.1.3 Thiết bị chống sét cho cặp dây thoại (SLP1K2) 10 cặp dây thoại (SLP10-K1F) kiểu kết nối giá Krone 25 4.1.4.Thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11 .26 4.2 Yêu cầu kỹ thuật điều kiện lựa chọn 27 4.2.1.Yêu cầu kỹ thuật 27 4.2.2 Điều kiện lựa chọn .28 Chương 30 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ CHỐNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG THOẠI 30 5.1 Mơ hình ống phóng điện khí GDT 30 5.1.1 Tổng quan ống phóng điện khí 30 5.1.2 Các loại mơ hình ống phóng khí .31 5.2 Mô hình TVS Zener Diode 40 5.3 Mơ hình thiết bị chống sét lan truyền đường thoại (UTB, SLP) 48 vii Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 5.4 Giải pháp bảo vệ chống sét lan truyền đường thoại 51 5.4.1 Vị trí lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền 52 5.4.2 Chọn thiết bị cho vị trí định 52 Chương 54 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 viii Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 2.1 Sơ đồ nối dây máy phát kiểm tra thiết bị Hình 3.1 Dạng xung điện áp sét tiêu chuẩn 14 Hình 3.2 Dạng xung dịng sét tiêu chuẩn 15 Hình 3.3 Mơ hình máy phát xung dịng sét 15 Hình 3.4 Sơ đồ mạch phát xung áp 18 Hình 3.5.Giai đoạn đầu sóng dạng sóng áp 19 Hình 3.6.Thời gian tồn sóng 20 Hình 3.7 Sơ đồ máy phát xung dịng 8/20us 21 Hình 3.8 Giao diện máy phát xung dòng 3kA 8/20us 21 Hình 3.9 Dạng sóng mơ 21 Hình 3.10 Sơ đồ máy phát xung áp 5kV 1.2/50us 22 Hình 3.11 Giao diện máy phát xung áp 5kV 1.2/50us 22 Hỉnh 3.12 Dạng sóng mơ máy phát xung áp 5kV 1.2/50us 22 Hình 3.13 Sơ đồ máy phat xung áp 5kA 10/700us 23 Hình 14 Giao diện máy phát 5kv 10/700us 23 Hình 3.15 Dạng sóng mơ máy phát 5kv 10/700us 23 Hình 4.1 Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền đường dây thoại 25 Hình 4.2 Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền đường Modem 25 Hình 4.3 Cấu tạo thiết bị chống sét cho cặp/10 cặp dây thoại 26 Hình 4.4 Cấu tạo thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11 27 Hình 5.1 Mặt cắt ngang ống phóng khí 30 Hình 5.2 Thời gian đáp ứng ống phóng khí 31 Hình 5.3 Mơ hình ống phóng khí SPICE Kraft 32 Hình 5.4 Mơ hình ống phóng khí SPICE Larsson 33 Hình 5.5 Mơ hình ống phóng điện khí đề nghị 34 Hình 5.6 Sơ đồ khối điều khiển SC 35 Hình 5.7 Giao diện khối Breaker 36 Hình 5.8 Sơ đồ mơ phóng điện khí MATLAB 36 Hình 5.9 Giao diện Mask Editor MATLAB 37 Hình 5.10 Tạo biểu tượng cho mơ hình MatLab 37 Hình 5.11 Biểu tượng ống phóng khí đơn 37 Hình 5.12 Mơ hình ống phóng khí đơi 38 Hình 5.13 Sơ đồ mạch thiết bị chống sét SLP10-K1F 38 Hình 5.14 Dạng sóng điện áp dư thiết bị chống sét SLP110K1Fứng với xung ngõ vào 5kV 10/700us 39 Hình 5.15 Mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F 39 Hình 5.16 Dạng sóng điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F 40 Hình 5.17 Mặt cắt ngang Diode Zener 41 ix Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.18 Các dạng khn mẫu TVS Zener Diode 41 Hình 5.19 Ghép Zener Diode với diode 43 Hình 5.20 Biểu tượng mơ hình Zener Diode 43 Hình 5.21 Giao diện nhập thơng số Zener Diode 44 Hình 5.22 Sơ đồ mô đáp ứng TVS Zener Diode 45 Hình 5.23 Điện áp ổn áp P4KE30 với xung áp 5kV 10/700us 46 Hình 5.24 Điện áp ổn áp P4KE20 với xung áp 5kV 10/700us 46 Hình 5.25 Điện áp ổn áp BZY91C68với xung áp 5kV 10/700us 47 Hình 5.26 Điện áp ổn áp BZY91C39 với xung áp 5kV 10/700us 47 Hình 5.27 Sơ đồ mơ đáp ứng UTB TA 3kA 8/20us 48 Hình 5.28 Dạng sóng điện áp dư UTB -TA 3kA 8/20us 49 Hình 5.29 Sơ đồ mô đáp ứng UTB - SA 3kA 8/20us 49 Hình 5.30 Dạng sóng điện áp dư UTB -SA 3kA 8/20us 50 Hình 5.31 Dạng sóng điện áp dư SLP1RJ11 0.5KA 8/20us 50 Hình 5.32 Dạng sóng điện áp dư SLP1RJ11A 0.5kA 8/20us 51 Hình 5.33 Giải pháp chống sét tổng thể cho đường thoại 52 x Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 Các dạng xung thử theo TIA-968-A, TIA-968-B Bảng 2.2 Cách kết nối điều kiện thử nghiệm Bảng 2.3 Cách kết nối tới máy phát kiểm tra Bảng 2.4 Thông số thử nghiệm kiểm tra xung sét cấp thứ Bảng 2.5 Thông số thử nghiệm kiểm tra xung sét cấp thứ hai Bảng 2.6 Các điều kiện kiểm tra giới hạn dòng Bảng 2.7 Các thử nghiệm theo ITU-T K.20 10 Bảng 2.8 Các thử nghiệm theo ITU-T K.21 10 Bảng 2.9 Các kiểm tra áp theo UL 60950 12 Bảng 3.1 Thông số phần tử mạch phát xung dịng sét dạng sóng 8/20us 18 Bảng 3.2.Thơng số phần tử máy phát xung áp với dạng khác 19 Bảng 5.1 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung áp 5kV 10/700us 40 Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật TVS Zener Diode Hãng Vishay 45 Bảng 5.3 Kết so sánh mô TVS Zener Diode Hãng Vishay 46 Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật TVS Zener Diode Hãng Crydrom 47 Bảng 5.5 Kết so sánh mô Zener Diode Hãng Crydom 48 Bảng 5.6 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét UTB -TA ứng với xung dòng 3kA 8/20us 49 Bảng 5.7 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét UTB -SA ứng với xung dòng 3kA 8/20us 50 Bảng 5.8 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP1RJ11ứng với xung dịng 0.5kA 8/20us 51 Bảng 5.9 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP1RJ11A ứng với xung dòng 0.5kA 8/20us 51 xi Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT GDT: Gas Discharge Tube Ống phóng khí UTB – SA: Thiết bị chống sét đường Modem UTB – TA: Thiết bị chống sét đường dây thoại SLP1K2: Thiết bị chống sét cho cặp dây thoại SLP10K1F:Thiết bị chống sét cho 10 cặp dây thoại SLP1 RJ11: Subscriber Line Protector.Thiết bị chống sét cho đường dây thoại, kiểu kết nối RJ11 TVS Zener Diode : Transient Voltage Suppression Zener Diode Zener Diode triệt xung áp ITU - T K20, 21: International Telecommunication Union Chống sét theo tiêu chuẩn Châu Âu TIA – 968, GR 1089, UL 60950: Các tiêu chuẩn chống sét theo Bắc Mỹ EUT: Equipment Under Test Thiết bị thử ISDN (Integrated Services Digital Network) – Mạng số tích hợp đa dịch vụ, cho phép truyền liệu số hóa từ hệ thống cuối (máy chủ) gia đình qua đường điện thoại ISDN tới công ty điện thoại xii Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tính cấp thiết đề tài Sét tượng tự nhiên, tạo nên phóng điện đám mây mang điện tích trái dấu đám mây điểm mặt đất nội đám mây điện trường khí đạt đến giá trị định.Việt Nam nằm tâm dông Châu Á [1], ba tâm dông giới có hoạt động dơng sét mạnh Mùa dơng Việt Nam tương đối dài tháng kết thúc vào tháng 10 Số ngày dông trung bình khoảng 100 ngày/năm số dơng trung bình 250 giờ/năm Trên hoạt động dơng tương đối mạnh có độ chênh lệch lớn mức độ hoạt động dơng vùng Có nơi có số dơng nhỏ Cam Ranh (55 giờ/năm), bên cạnh lại có khu vực đạt số dông tới 489 giờ/năm A Lưới (Huế) Sự chênh lệch nhiều yếu tố khác gây ra, có yếu tố phân chia lãnh thổ dãy núi cao có hướng khác nhau, làm tăng cường hoạt động dông vùng hạn chế hoạt động dông vùng khác Những vùng hoạt động dơng mạnh vùng có nhiễu động khí mạnh mẽ có địa hình thuận lợi cho việc hình thành dịng thăng ln có nguy sét cao vùng khác Ở Việt Nam có tới triệu cú sét đánh xuống đất vòng năm Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ Viện Vật lý Địa cầu thực năm 2004, nước có 820 vụ sét đánh 10 năm trở lại gây thiệt hại nhiều tỷ đồng, làm gián đoạn dịch vụ viễn thông nói riêng số ngành khác có liên quan nói chung Tại số khu vực Cổ Dũng (Hải Dương), Sơn Lộc (Hà Tĩnh), đồng sông Cửu Long, xảy nhiều vụ sét đánh làm thiệt hại mùa màng tính mạng người, gây tâm lý hoang mang nhân dân Dông sét gây ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động kinh tế - xã hội Ngồi tác dụng có lợi dơng mang lại lượng nước mưa, khả cung cấp nitrat phóng điện sét, đem lại cho nơng nghiệp nguồn đạm phong phú, dông sét HVTH: Nguyễn Văn Quang Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh hình tổng hợp Bảng 5.5 Bảng 5.5 Kết so sánh mô Zener Diode Hãng Crydom Loại TVS Zener Diode BZY91C68 BZY91C39 Theo catalogue (V)_Vrcat 64 37 Theo mơ hình (V)_Vrmod 63 36 Sai số (%)_ V 1,56 2,70 Nhận xét: Qua kết tổng hợp từ việc mô đáp ứng mô hình TVS Zener Diode nhà sản xuất khác nhau, nhận thấy mơ hình TVS Zener Diode đề nghị đạt mức xác cao (sai số điện áp dư mơ hình TVS Zener Diode so với liệu cho nhà sản xuất có giá trị tối đa 3,68%, giá trị thấp 1,56%) 5.3 Mơ hình thiết bị chống sét lan truyền đường thoại (UTB, SLP) Hình 5.27 Sơ đồ mơ đáp ứng UTB TA 3kA 8/20us HVTH: Nguyễn Văn Quang 48 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.28 Dạng sóng điện áp dư UTB -TA 3kA 8/20us Bảng 5.6 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét UTB -TA ứng với xung dòng 3kA 8/20us Xung thử UTB -TA MƠ HÌNH Sai số(%) 3kA 8/20us 480V 446.5 6.98 Nhận xét: - Giá trị đỉnh điện áp dư mơ hình có sai số phạm vi cho phép so với giá trị điện áp dư thiết bị UTB -TA cung cấp nhà sản xuất 6.98% Hình 5.29 Sơ đồ mơ đáp ứng UTB - SA 3kA 8/20us HVTH: Nguyễn Văn Quang 49 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.30 Dạng sóng điện áp dư UTB -SA 3kA 8/20us Bảng 5.7 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét UTB -SA ứng với xung dịng 3kA 8/20us Xung thử UTB -SA MƠ HÌNH Sai số(%) 3kA 8/20us 340V 324 4.7 Nhận xét: - Giá trị đỉnh điện áp dư mơ hình có sai số phạm vi cho phép so với giá trị điện áp dư thiết bị UTB -SA cung cấp nhà sản xuất 4.7% Hình 5.31 Dạng sóng điện áp dư SLP1RJ11 0.5KA 8/20us HVTH: Nguyễn Văn Quang 50 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bảng 5.8 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP1RJ11ứng với xung dịng 0.5kA 8/20us Xung thử SLP1RJ11 MƠ HÌNH Sai số(%) 0.5kA 8/20us 255V 264.5 3.7 Nhận xét: - Giá trị đỉnh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP1RJ11 có sai số phạm vi cho phép so với giá trị điện áp dư thiết bị SLP1RJ11 cung cấp nhà sản xuất 3.7% Hình 5.32 Dạng sóng điện áp dư SLP1RJ11A 0.5kA 8/20us Bảng 5.9 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP1RJ11A ứng với xung dịng 0.5kA 8/20us Xung thử SLP1RJ11A MƠ HÌNH Sai số(%) 0.5kA 8/20us 43V 41.39 3.74 Nhận xét: - Giá trị đỉnh điện áp dư mơ hình có sai số phạm vi cho phép so với giá trị điện áp dư thiết bị SLP1RJ11A cung cấp nhà sản xuất 3.74% 5.4 Giải pháp bảo vệ chống sét lan truyền đường thoại [7] HVTH: Nguyễn Văn Quang 51 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.33 trình bày giải pháp tổng thể chống sét lan truyền đường thoại Để đảm bảo hiệu bảo vệ cần xem xét hai vấn đề: xác định vị trí lắp đặt lựa chọn thông số thiết bị chống sét lan truyền đường thoại cách hợp lý 1: Thiết bị chống sét đường thoại SLP1RJ11A, 2: Thiết bị chống sét đường nguồn + đường tín hiệu thoại SLP1RJ11, 3: Thiết bị chống sét đường nguồn + đường mạng máy tính (LAN RJ 45), 4: Thiết bị chống sét đường nguồn + đường ADSL (UTB – SA), 5: Thiết bị chống sét đường ISDN (UTB – TA), 6: Thiết bị chống sét đường nguồn (TDF 3A240V) Hình 5.33 Giải pháp chống sét tổng thể cho đường thoại 5.4.1 Vị trí lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền Các thiết bị truyền thơng thường có nguy bị hư hỏng xung cảm ứng đường thoại kết nối thiết bị Việc sử dụng hàng rào chống sét lan truyền lắp đặt hai đầu đường dây phương pháp giảm nguy với chi phí hợp lý Nguy cao diện đường liên lạc đường tín hiệu vào/ra nhà Trong trường hợp này, thiết bị chống sét lan truyền đường thoại nên lắp điểm vào tòa nhà đầu thiết bị Dây dẫn tòa nhà dài 10 - 15m nên bảo vệ Việc sử dụng dây xoắn bọc giáp bảo vệ mức độ đó, khơng nên xem bảo vệ đầy đủ cho thiết bị giao tiếp điện tử nhạy cảm đại ngày 5.4.2 Chọn thiết bị cho vị trí định HVTH: Nguyễn Văn Quang 52 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Năm thông số thiết bị chống sét lan truyền đường thoại phải xem xét để đảm bảo hiệu bảo vệ không ảnh hưởng xấu đến hoạt động mạch  Thiết bị chống sét lan truyền đường thoại thiết kế để kẹp xung điện áp xuống mức an toàn cho thiết bị khơng ảnh hưởng đến điện áp tín hiệu thơng thường Điện áp kẹp thiết bị chống sét lan truyền đường thoại chọn phù hợp với điện áp làm việc cực đại mạch;  Thiết bị chống sét lan truyền đường thoại phải chịu dịng điện làm việc cực đại;  Băng thơng thiết bị chống sét lan truyền đường thoại phải đủ để hệ thống hoạt động thông suốt mà không gây suy giảm tín hiệu, tức phải đảm bảo suy hao thiết bị chống sét lan truyền tần số hoạt động danh định hệ thống không vượt giới hạn định  Các đầu kết nối, phương pháp lắp đặt, số đường bảo vệ đặc điểm vật lý khác phải đánh giá xem xét;  Mức bảo vệ áp thiết bị chống sét lan truyền phải tương ứng với vị trí lắp đặt Đối với mạch bên tịa nhà, mức bảo vệ tối thiểu 0,25kA Với mạch kết nối với đường dây vào/ra bên ngồi tịa nhà mức bảo vệ đề nghị 10-20kA HVTH: Nguyễn Văn Quang 53 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương KẾT LUẬN Đề tài “Mô hình hóa mơ thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền đường điện thoại” hoàn thành tiến độ đạt kết theo yêu cầu nhiệm vụ đặt cho đề tài, cụ thể:  Khảo sát tiêu chuẩn hành áp dụng cho đường dây điện thoại  Lập thư viện mô hình máy phát xung áp sét chuẩn 1.2/50us,10/700us, máy phát xung dịng chuẩn 8/20us mơi trường Matlab  Xây dựng mơ hình GDT, TVS Zener Diode, UTB, SLP có mức tương đồng cao so với nguyên mẫu, thể độ xác điện áp dư mơ hình số liệu cung cấp nhà sản xuất thử nghiệm với xung sét chuẩn (