(Luận văn thạc sĩ hcmute) mô hình hóa và mô phỏng thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường điện thoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN QUANG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG ĐIỆN THOẠI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 SKC007513 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN QUANG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG ĐIỆN THOẠI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017 Luan van Luan van Luan van Luan van Luan van Luan van Luan van Luan van Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Văn Quang Giới tính: Nam Ngày sinh: 10/9/1979 Nơi sinh: Hải Dương Quê quán: Thanh Hà, tỉnh Hải Dương Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 937A đường Nguyễn Trung Trực, khu phố 5, phường An bình, Thành phố Rạch Giá tỉnh Kiên Giang Điện thoại quan: 02973 863522 Điện thoại nhà riêng: 02973.910051 Fax: 02973.863522 E-mail: vanquangkg@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo: 1999 - 2001 Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật Kiên Giang Ngành học: Điện công nghiệp Dân dụng Đại học: Trường đại học Sư phạm kỹ thuật, thành phố Hồ Chí Minh Hệ đào tạo: Hệ khơng quy Thời gian đào tạo: 2004-2009 Nơi học: Cơ sở liên kết.Trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật Kiên Giang – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Điện khí hóa & cung cấp điện Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Cung Cấp Điện Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Tại Trường Cao đẳng kinh tế kỹ thuật Kiên Giang III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2002- đến Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Nhà Thiếu nhi Kiên Giang i Luan van Cán kỹ thuật Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 10 năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Văn Quang ii Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh LỜI CẢM ƠN Điều trước tiên, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Quyền Huy Ánh, người Thầy tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp tài liệu vơ q giá dìu dắt tơi thực hoàn thành luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cám ơn đến tất Q Thầy, Cơ giảng dạy, trang bị cho kiến thức bổ ích quí báu suốt trình học tập nghiên cứu sau Xin cảm ơn Gia đình tạo điều kiện để tơi n tâm học tập tốt suốt thời gian vừa qua Xin cảm ơn Ban giám hiệu, q thầy bạn động viên, tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ cho tơi nhiều q trình học tập, công tác suốt thời gian thực luận văn Xin cảm ơn Anh Chị em học viên cao học khóa (2016 - 2018), người ln dành tình cảm sâu sắc nhất, ln bên cạnh, động viên khuyến khích tơi vượt qua khó khăn suốt q trình thực luận văn TP.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017 Người thực Nguyễn Văng Quang iii Luan van 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, mô hình thiết bị bảo vệ như: UTB, SLP Mức tương thích mơ hình so với ngun mẫu, kiểm nghiệm cách phân tích kết mơ 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 cơng cụ mơ 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 dịng 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 mô .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 MƠ 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 Mơ hình TVS Zener Diode 40 5.3 Mơ hình thiết bị chống sét lan truyền đường thoại (UTB, SLP) 48 vii Luan van 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 Luan van 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 dòng 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 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.18 Các dạng khuôn 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 thông số Zener Diode 44 Hình 5.22 Sơ đồ mơ 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 Luan van 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.Thông 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 dòng 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 Luan van 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 Luan van 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 dơng giới có hoạt động dông sét mạnh Mùa dông Việt Nam tương đối dài tháng kết thúc vào tháng 10 Số ngày dơng 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 dông vùng Có nơi có số dơng nhỏ Cam Ranh (55 giờ/năm), bên cạnh lại có khu vực đạt số dơng 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 dông 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 thơng 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 Ngoài tác dụng có lợi dơng mang lại lượng nước mưa, khả cung cấp nitrat phóng điện sét, đem lại cho nông nghiệp nguồn đạm phong phú, dông sét HVTH: Nguyễn Văn Quang Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh gây ảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế xã hội Dơng gây lụt lội (những đợt dông kéo dài), sét thường xuyên hiểm họa gây thiệt hại người Mọi thiết bị điện lắp đặt vào lưới điện lựa chọn dựa vào điện áp định mức lưới điện mà thiết bị đấu vào Tuy nhiên, thực tế vận hành, đôi lúc xảy điện áp tạm thời nhiều nguyên nhân gây ra, cố chạm đất, thao tác đóng cắt, sét đánh trực tiếp hay lan truyền Trong điện áp sét nguy hiểm nhất, chúng dễ dàng gây phóng điện đánh thủng cách điện phá hủy thiết bị Tuy nhiên, việc trang bị thiết bị chống sét lan truyền Việt Nam chưa quan tâm cách đầy đủ, chủ yếu người sử dụng quan tâm bảo vệ chống sét đánh trực tiếp mà chưa quan tâm đến việc trang bị thiết bị chống sét lan truyền Một thực tế Việt Nam mơ hình thử nghiệm hay máy phát xung sét chưa có có giữ quyền hãng sản xuất thiết bị chống sét nước nên việc đánh giá thiết bị chống sét lan truyền đường tín hiệu điện thoại nói riêng cịn hạn chế Hiện nay, có nhiều nhà nghiên cứu số nhà sản xuất thiết bị chống sét đường thoại sâu nghiên cứu đưa mơ hình thiết bị chống sét với mức độ chi tiết quan điểm xây dựng mơ hình khác Tuy nhiên, tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng mơ hình, yêu cầu mức độ tương đồng mô hình nguyên mẫu mà phương pháp xây dựng mơ hình mơ phần tử chống sét đường điện thoại tiếp tục nghiên cứu phát triển Hơn nữa, vấn đề khó khăn xây dựng mơ hình xác định thơng số mơ hình thơng số cho catalogue nhà chế tạo thường khơng đầy đủ Vì vậy, việc đề giải pháp phòng chống sét lựa chọn thiết bị chống sét phù hợp Vị trí lắp đặt khả cắt giảm biên độ lọc dòng sét đường điện thoại thực cách lắp đặt thiết bị cắt sét thiết bị lọc sét điểm dẫn vào tòa nhà Do giảm phá hoại trang thiết bị, giảm tổn thất vận hành kinh tế Từ đó, người thực định lựa chọn đề tài: HVTH: Nguyễn Văn Quang Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh “Mơ hình hóa mô thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền đường điện thoại” 1.2 Mục tiêu nhiện vụ luận văn  Nghiên cứu tiêu chuẩn chống sét đường dây thoại  Lập mơ hình máy phát xung áp sét chuẩn máy phát xung dịng chuẩn mơi trường Matlab  Xây dựng mơ hình GDT, TVS Zener Diode, UTB, SLP  Xây dựng mơ hình thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền đường điện thoại  Giải pháp bảo vệ chống sét lan truyền đường thoại 1.3 Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu, xây dựng mơ hình nguồn phát xung áp sét tiêu chuẩn dạng sóng chuẩn 1.2/50us, 10/700us, máy phát xung dòng sét chuẩn 8/20us mơi trường Matlab  Xây dựng mơ hình thiết bị chống sét lan truyền đường điện thoại  Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng mơ hình hóa mơ  Giải pháp bảo vệ chống sét lan truyền đường thoại 1.4 Các bước tiến hành  Thu thập, chọn lọc tài liệu liên quan cần thiết  Tổng hợp phân tích tài liệu sau chọn lọc  Khảo sát ứng dụng bổ trợ phần mềm dự kiến thực  Nghiên cứu tiêu chuẩn chống sét nước  Nghiên cứu mơ hình (GDT, TVS Zener Diode, UTB, SLP)  Nghiên cứu thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền đường điện thoại  Đánh giá, kết luận, đưa giải pháp chống sét lan truyền đường điện thoại 1.5 Điểm luận văn  Xây dựng mơi trường Matlab mơ hình phần tử bảo vệ GDT, TVS Zener Diode, UTB, SLP sử dụng thiết bị chống sét lan truyền HVTH: Nguyễn Văn Quang Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh đường thoại có độ xác cao, phù hợp với kết thử nghiệm thông số kỹ thuật nhà sản xuất  Xây dựng mơ hình thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền đường điện thoại  Giải pháp, chọn thiết bị cho vị trí định 1.6 Giá trị thực tiễn đề tài Đề tài dự kiến đạt kết mang tính thực tiễn sau:  Kết nghiên cứu phần đáp ứng công tác nghiên cứu lựa chọn, phối hợp kiểm tra hiệu thiết bị bảo vệ chống sét đường điện thoại cách xác điều kiện thiếu phịng thí nghiệm  Cung cấp công cụ mô hữu ích cho quan tâm đến việc nghiên cứu đáp ứng thiết bị chống sét, tác dụng xung sét mà đánh giá hiệu hệ thống thiết bị bảo vệ chống sét đường điện thoại mạng viễn thơng  Tối ưu hóa tính bảo vệ thiết bị chống sét nâng cao độ tin cậy trình vận hành việc bảo vệ thiết bị chống sét đường điện thoại  Đề tài có khả phát triển cấp nghiên cứu cao điều kiện cho phép 1.7 Nội dung luận văn Chương1: Tổng quan Chương 2: Các tiêu chuẩn chống sét đường dây thoại Chương 3: Mơ hình máy phát xung chuẩn Chương 4: Thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền đường dây thoại Chương 5: Xây dựng mơ hình thiết bị chống sét lan truyền đường thoại Chương 6: Kết luận hướng nghiên cứu phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO HVTH: Nguyễn Văn Quang Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương CÁC TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG THOẠI Để tránh thiệt hại lớn kinh tế xảy dịch vụ bị ngưng thiết bị mạng bị hư hỏng, nhà cung cấp dịch vụ điện thoại đưa tiêu chuẩn quy định để giúp cho sản phẩm thiết bị viễn thông có độ tin cậy cao Ở Bắc Mỹ dùng tiêu chuẩn: TIA-968-A, TIA-968-B, UL 60950 GR 1089 Ở Châu Âu vùng Viễn Đông thường dùng tiêu chuẩn ITU-T K.20 ITU-T K.21 [1, 2] 2.1 Tiêu chuẩn TIA-968-A, TIA-968-B Tiêu chuẩn TIA-968-A (dạng A), TIA-968-B (dạng B sử dụng cho tất thiết bị đấu nối vào mạng điện thoại công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network) Mục đích TIA-968-A, TIA-968-B cung cấp tiêu chuẩn đồng để bảo vệ mạng điện thoại từ hư hỏng hay nhiễu gây kết nối thiết bị (terminal equipment) Tiêu chuẩn bao gồm tác động môi trường dao động, nhiệt độ, độ ẩm, điện áp rơi, điện áp dòng điện nguy hiểm kiểm tra cho tín hiệu a Kiểm tra áp Tiêu chuẩn yêu cầu thiết bị phải thực kiểm tra áp gồm xung áp dây (metallic) dạng A B, xung áp dây (longitudinal) dạng A B Đối với xung thử loại A thiết bị EUT (Equipment Under Test) hoạt động hay ngừng hoạt động Đối với xung thử dạng B mạch bảo vệ thiết bị khơng phép hư hỏng EUT phải thiết kế để chịu đựng xung loại B tiếp tục hoạt động tốt tất trạng thái làm việc b Xung áp dây Tip Ring (Metallic) Các xung áp dây Tip Ring dạng A B đặt lên cực tính dương âm dây Tip Ring tất trạng thái hoạt động (đang chờ máy, hết chờ máy, chuông kêu …) Xung dạng A 800V, 100A xung đỉnh, xung dạng B 1000V, 25A xung đỉnh Bảng 2.1 liệt kê dạng xung : HVTH: Nguyễn Văn Quang Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bảng 2.1 Các dạng xung thử theo TIA-968-A, TIA-968-B Điện áp Dạng sóng Dạng kiểm tra đỉnh xung áp (ms) (VPK) Metallic dạng A Longitudinal dạng A Metallic dạng B Longitudinal dạng B Dạng sóng xung dịng (ms) 10 x 560  800 10 x 560 Dòng đỉnh (A) 100  1500 10 x160 200 10 x160  1000 x720 25 x320  1500 x 720 37.5 x 320 Số lần lặp c Xung áp dây Tip, Ring với đất (longitudinal) Các xung áp dây loại A B đặt lên cực tính dương âm tất trạng thái hoạt động Xung dạng A 1500V, 200A xung đỉnh đặt lên EUT dây Tip Ring Dạng xung loại B xung 1500V, 37.5A xung đỉnh đặt lên dây Tip với đất dây Ring với đất Các xung thử loại B bảo đảm mức bảo vệ tối thiểu, để thiết bị hoạt động tin cậy thời gian dài cần thử xung dạng A 2.2 Tiêu chuẩn GR 1089 Tiêu chuẩn GR 1089 đề cập “Tương thích điện từ điều kiện an toàn cho thiết bị mạng viễn thông” (Electromagnetic Compatibility and Electrical Safety Generic Criteria for Network Telecommunication Equipments) bao gồm yêu cầu thiết bị viễn thông kết nối ngồi qua cáp đơi dây xoắn Tiêu chuẩn đưa điều kiện bảo vệ chống sét nhiễu từ đường dây AC Vì cáp đơi dây xoắn dây dẫn kim loại dễ bị ảnh hưởng sét đường dây AC nên GR 1089 yêu cầu nhà sản xuất thiết bị mạng điện thoại công cộng phải bảo đảm thiết bị hoạt động tin cậy an tồn Các tiêu chí cho tiêu chuẩn dựa điều kiện độ nơi đặt thiết bị, chẳng hạn thiết bị từ xa, tổng đài, thiết bị khách hàng mà HVTH: Nguyễn Văn Quang Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh công ty cung cấp dịch vụ phải có bảo vệ điện áp sơ cấp để giới hạn điện áp đỉnh độ 1000 V 600 Vrms đường dây AC Khi kết hợp với thiết bị bảo vệ điện áp sơ cấp, người ta phối hợp với cầu chì, phần tử cuối thiết bị hạn dòng mắc sau thiết bị bảo vệ điện áp sơ cấp Các thiết bị giới hạn dịng có dịng định mức khoảng 350mA a Phương pháp kiểm tra thiết bị bảo vệ theo tiêu chuẩn GR 1089  Thực thử nghiệm cấp bảo vệ sơ cấp thứ cấp với xung sét cố đường dây AC  Kiểm tra giới hạn dòng  Kiểm tra ngắn mạch  Cấp điện áp cố có xung áp 600V 1000V, xung dịng 100A 10x1000ms cắt giảm cho thiết bị tổng đài cách sử dụng bảo vệ bán dẫn  Các bảo vệ thứ cấp phải kết hợp với bảo vệ sơ cấp phải có định mức 100A - 10/1000ms  Kiểm tra thứ cấp cho phép dùng cầu chì MDL 2A cầu chì MDQ 1,6A Ngồi cịn có thêm thử nghiệm vòng 15 phút với dòng 3A, 3.75A, 5A, 10A, 12.5A, 20A 30A Các thiết bị kiểm tra trạng thái hoạt động chức – khơng làm (idle), truyền, nhận, chờ máy (on hook), hết chờ máy, nói chuyện, quay số, rung chng Bảng 2.2 2.3 trình bày cách kết nối ứng với điều kiện kiểm tra HVTH: Nguyễn Văn Quang Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bảng 2.2 Cách kết nối điều kiện thử nghiệm Điều kiện thử nghiệm Giao tiếp đường dây Tip với máy phát, Ring với mass A Ring với máy phát, Tip với mass Tip Ring đồng thời nối máy phát B Tip Ring đồng thời nối máy phát Bảng 2.3 Cách kết nối tới máy phát kiểm tra Điều kiện Khóa S1 Khóa S2 Theo A-1 bảng 2.2 Đóng Mở Theo A-2 bảng 2.2 Mở Đóng Theo A-3 bảng 2.2 Đóng Mở Giao tiếp đường dây Lần lượt đầu (T, R, T1 R1) nối tới máy phát đầu nối mass Tip Ring đồng thời nối máy phát, T1 R1 nối mass T1 R1 đồng thời nối máy phát, Tip Ring nối mass T, R, T1, R1 nối đồng thời vào máy phát xung thử Khóa S3 Mở Đóng Đóng Khóa S4 Đóng Mở Mở Hình 2.1 Sơ đồ nối dây máy phát kiểm tra thiết bị b Kiểm tra xung sét cấp thứ Để vượt qua kiểm nghiệm xung sét cấp thứ nhất, EUT (Equipment Under Test) phải không bị hư hỏng tiếp tục hoạt động tốt sau chịu xung áp đặt vào Bảng 2.4 cho biết thông số dùng để kiểm tra HVTH: Nguyễn Văn Quang Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bảng 2.4 Thông số thử nghiệm kiểm tra xung sét cấp thứ Thử nghiệm Xung áp (VPK) (note a, b) (note a,b, c) (note a,b,c) (note a,b,d) (note a,b)  600  1000  1000  2500  1000 Dạng sóng (us) Xung dòng dây (A) 10 x 1000 10 x 360 10 x 1000 x 10 10 x 360 Lặp lại (lần) 100 100 100 500 25 Cách kết nối theo Bảng 2.2 25 25 25 10 A A A B B Các ghi (notes): a Các bảo vệ sơ cấp phải gỡ bỏ, b Với EUT có giới hạn dịng áp thứ cấp thử nghiệm lặp lại điện áp giảm xuống dòng điện vừa giảm xuống thấp ngưỡng định mức bảo vệ thứ cấp, c Các thử nghiệm thay thử nghiệm ngược lại, d.Thay đổi cách dùng máy phát xung điện áp 1.2x50us c Kiểm tra xung sét cấp thứ hai Các thử nghiệm kiểm tra xung sét cấp thứ yêu cầu thiết bị không gây cháy, vỡ thành mảnh hay nguy hiểm điện Bảng 2.5 cho biết thông số kiểm tra Bảng 2.5 Thông số thử nghiệm kiểm tra xung sét cấp thứ hai Xung dòng Xung áp Dạng Lặp lại Thử nghiệm dây (VPK) sóng (us) (lần) (A) (Notes a,b) x 10 500  5000 Kết nối theo bảng 2.2 B d Kiểm tra giới hạn dịng Mục đích kiểm tra thiết bị bảo vệ giới hạn dòng để xác định giá trị dòng điện tối đa cho phép chạy qua thiết bị cố Bảng 2.6 Các điều kiện kiểm tra giới hạn dòng Thử Điện áp Tổng trở nguồn Khoảng thời nghiệm (VRMS) gian () 600 HVTH: Nguyễn Văn Quang 15 phút Luan van Kết nối theo bảng 2.2 A Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 2.3 Tiêu chuẩn ITU-T K.20 K.21 Các tiêu chuẩn hiệp hội viễn thông quốc tế ITU (International Telecommunication Union) sử dụng Châu Âu vùng Viễn Đông ITU-T nhánh tiêu chuẩn viễn thông Các tiêu chuẩn kiểm tra gồm có:  Các xung sét sét đánh vào gần đường cáp thiết bị  Cảm ứng thời gian ngắn điện áp từ đường dây AC  Tiếp xúc trực tiếp đường dây AC đường dây viễn thơng Có tiêu chuẩn ITU-T áp dụng cho hầu hết thiết bị viễn thông là:  ITU-T K.20 tiêu chuẩn áp dụng cho thiết bị nối với tổng đài  ITU-T K.21 bao gồm yêu cầu cho thiết bị viễn thơng lắp đặt phía khách hàng Các tiêu chí tiêu chuẩn ITU-T:  Tiêu chí A (Criterion A) yêu cầu thiết bị chịu kiểm tra mà khơng bị hư hỏng hoạt động tốt sau kiểm tra Không yêu cầu hoạt động kiểm tra  Tiêu chí B (Criterion B) yêu cầu không xảy cháy kiểm tra không gây hư hỏng phần thiết bị Bảng 2.7 Các thử nghiệm theo ITU-T K.20 Xung áp (10 x 700us ) Xung dòng Lặp * Bảo vệ sơ Theo (5 x 310us) cấp tiêu Một cổng (port) Nhiều cổng (A) chí Thử dây Thử dây 25/37.5 Không ** A 1kV1.5kV 5 4kV 100/100 Có A 5 1.5kV 37.5/37.5 Không A 5 100/150 Không A 4kV6kV 5 * lần lặp nghỉ phút, ** không thực 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 Một cổng (port) Nhiều cổng HVTH: Nguyễn Văn Quang 10 Luan van Lặp * Bảo vệ sơ cấp Chấp nhận Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Thử Thử dây dây 16 46 1.5 46 dây 1.5 46 (5 x 310s) (A) 37.5/100 100/100 37.5/37.5 100/150 5 5 5 5 Khơng ** Có Khơng Khơng tiêu chí A*** A A*** A *** khơng áp dụng có bảo vệ sơ cấp 2.4 Tiêu chuẩn UL 60950 Tiêu chuẩn yêu cầu việc nối dây tất thiết bị viễn thơng vào tịa nhà phải qua bảo vệ sơ cấp thiết kế để giới hạn độ AC không 600Vrms Hầu hết thiết bị viễn thông sử dụng thiết bị bảo vệ áp thứ cấp chẳng hạn dùng GDT Các thiết bị bảo vệ thứ cấp thường giới hạn độ điện áp 350Vrms Do tồn điện áp nguy hiểm thiết bị phần sơ cấp thiết bị bảo vệ thứ cấp Để giảm thiểu nguy hiểm cần thực kiểm tra áp theo chuẩn UL60950 Tiêu chuẩn UL60950 kiểm tra ngăn ngừa tổn thương, hư hại điện giật, gây cháy, nhiệt độ nguy hiểm, nguy hiểm phần cơ, xạ hay hoá học Tiêu chuẩn chia cấp thiết bị :  Cấp 1- bảo vệ cách điện  Cấp 2- bảo vệ cách điện lần hay tăng cường cách điện  Cấp 3- bảo vệ dùng nguồn điện áp thấp SELV (điện áp đỉnh 40V 60VDC) HVTH: Nguyễn Văn Quang 11 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bảng 2.9 Các kiểm tra áp theo UL 60950 Cách kiểm tra Điện áp Vrms(V) Dòng điện (A) Thời gian L1 600 40 1.5s L2 600 5s L3 600 2.2 30min L4 200 2.2 30min L5 120 25 30min M1 600 40 1.5s M2 600 5s M3 600 2.2 30min M4 600 2.2 30min L: Longitudinal (thử dây Tip, Ring với đất), M: Metallic (thử dây tip Ring) HVTH: Nguyễn Văn Quang 12 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương MƠ HÌNH MÁY PHÁT XUNG CHUẨN 3.1 Các dạng xung sét tiêu chuẩn [3] Để thử nghiệm hiệu bảo vệ thiết bị chống sét đường dây thoại, cần phải đo thử điện áp bảo vệ ứng với xung sét tiêu chuẩn Các xung sét tiêu chuẩn qui định tiêu chuẩn bảo vệ chống áp thiết bị bảo vệ xung đột biến sét 3.1.1 Các thông số xung áp sét tiêu chuẩn a Thời gian đầu sóng T1 Thời gian đầu sóng T1 xung sét giá trị xác định 1,67 lần khoảng thời gian T thời điểm xung 30% 90% giá trị đỉnh (Hình 3.1) b Thời gian tồn sóng T2 Thời gian tồn sóng T2 xung sét giá trị xác định khoảng thời gian điểm gốc giả định O1 thời điểm điện áp giảm tới nửa giá trị đỉnh c Điểm gốc giả định O1 Điểm gốc giả định O1 giao điểm đường thẳng ngang qua điểm chuẩn 30% 90% đầu sóng với trục thời gian d Xung sét tiêu chuẩn Là xung sét tiêu chuẩn hóa, ví dụ xung 10/700us xung sét tồn sóng có thời gian đầu sóng 10us thời gian nửa sóng 700us e Dung sai  Giá trị đỉnh : 3%  Thời gian đầu sóng: 30% HVTH: Nguyễn Văn Quang 13 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 20%  Thời gian tới nửa giá trị sóng: B A T O1 T1 T2 Hình 3.1 Dạng xung điện áp sét tiêu chuẩn 3.1.2 Các thơng số xung dịng sét tiêu chuẩn a Thời gian đầu sóng T1 Thời gian đầu sóng T1 dịng điện xung sét có giá trị xác định 1,25 lần khoảng thời gian T thời điểm xung 10% 90% giá trị đỉnh (Hình 3.2) b Thời gian tồn sóng T2 Thời gian tồn sóng T2 dịng điện xung sét giá trị xác định khoảng thời gian điểm gốc giả định O1 thời điểm điện áp giảm tới nửa giá trị đỉnh c Điểm gốc giả định O1 Điểm gốc giả định O1 giao điểm đường thẳng ngang qua điểm chuẩn 10% 90% đầu sóng với trục thời gian d Dung sai  Giá trị đỉnh : 10%  Thời gian đầu sóng: 10% HVTH: Nguyễn Văn Quang 14 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh  Thời gian tới nửa giá trị sóng: 10% B 50% A O1 T T1 T2 Hình 3.2:Dạng xung dịng sét tiêu chuẩn 3.2 Mơ hình máy phát xung sét 3.2.1 Mơ hình máy phát xung dịng Mơ hình máy phát xung dịng thay mơ hình mạch đơn giản trình bày Hình 3.3, với C đặc trưng cho điện dung mây đất, phóng điện qua đường dẫn gồm điện cảm L mắc nối tiếp với điện trở R Ngun lý hoạt động mơ sau: Cơng tắc S vị trí (1) nạp điện áp vào tụ điện C Dòng điện xung điều chỉnh cách thay đổi trị số điện áp nạp Điện áp nạp cao, lượng nạp W=1/2CU2 lớn L S U R C 0 hình máy phát xung dịng sét Hình 3.3 Mơ HVTH: Nguyễn Văn Quang 15 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Cơng tắc S chuyển sang vị trí (2) xung độ phóng qua mạch Mạch phát xung dòng mạch RLC nối tiếp Kết giải toán độ sau: I(s) = U /L s  2s   ch2 (3.1) Với:  = R/2L, ch =1/ LC - Khi R > L , xung dịng khơng dao động C Mẫu số có hai nghiệm phân biệt: s1       ch2 (3.2) s       ch2 I (s)  U /L ( s  s1 )( s  s ) (3.3) Vì vậy: i(t) = U  (1 A)t  (1 A)t [e e ] RA A=  4Q Ở đây: (3.4) (3.5) =R/2L (3.6) ch =1/ LC (3.7) Q= ch/2 (3.8) Phương trình (3.4) viết dạng: t t   U [e t2  e t1 ] i(t) = RA HVTH: Nguyễn Văn Quang (3.9) 16 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Ở đây: R R2    t1 L LC 4L (3.10) R R2    t 2L LC 4L Từ đó: C=(t1+t2)/R (3.11) L = Rt1t2/( t1+t2) (3.12) Đặt p = t2/t1; I0 = U/RA (3.9) trở thành:  i(t) = I [e t t2 e p t t2 ] (3.13) Thời gian để giá trị i(t) tăng đến giá trị cực đại Imax thời gian Tm: Tm =(t2lnp)/(p-1) hay Tm/t2 = (lnp) /(p –1) (3.14) p p 1 Và I0/Imax = q = p p 1 (3.15) Thời gian Th để i(t) giảm xuống biên độ cực đại Imax xác định sau: (1/2) Imax/ I0 = 1/(2 q) = exp(-Th/t2) - exp(-pTh /t2) (3.16) Khi giá trị p  thì: Th/t2 = ln(2q) (3.17) Khi p  P  Khi R = p p 1  e ; Tm = t L , xung dịng khơng dao động: C HVTH: Nguyễn Văn Quang 17 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh i (t )   Khi R< i (t )  U t te giá trị Imax = U C L e L L , xung dịng dao động theo cơng thức: C U t e sin t L Với:   R2  LC L Tính chọn giá trị R, L, C xác định dạng xung theo qui định, việc thay đổi giá trị điện áp nguồn nạp cho tụ biên độ xung mong muốn Bảng 3.1 Thông số phần tử mạch phát xung dịng sét dạng sóng 8/20us Dạng xung C1 (uF) L1 (uH) R1 () 8/20us 25 0,6 3.2.2 Mơ hình máy phát xung áp Mạch máy phát xung áp sét có ngõ hở mạch có cấu tạo trình bày Hỉnh 3.4 Các phần tử R,L,C tính chọn tương tự Hình 3.4 Sơ đồ mạch phát xung áp HVTH: Nguyễn Văn Quang 18 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bảng 3.2.Thông số phần tử máy phát xung áp với dạng khác Dạng C1 C2 R1 R2 R3 R4 R5 L1 xung 1.2/50us 20uF 0.1uF 3.2 4 33.5 1M 0 10/700us 20uF 0.2uF 50 15 25 1M 0 Sau đây, kiểm tra độ xác ứng với dạng xung áp 10/700us ví dụ: a Kiểm tra thời gian đầu sóng Hình 3.5.Giai đoạn đầu sóng dạng sóng áp Hàm toán học đường cong v(t) = Vp (1 – exp (-t/T))  t = - T logn (1 – (v(t)/Vp)) Hằng số thời gian xác định biểu thức: T = R2C2 Với t(0.3) t(0.9) tính theo cơng thức v(t)/Vp=0.3 v(t)/Vp= 0.9 Tìm được: t(0.3) = 1us t(0.9) = 6.9 us Do đó: t1 = 1.67 (t(0.9)-t(0.3)) = 9.8 s 10us b Kiểm tra thời gian tồn sóng HVTH: Nguyễn Văn Quang 19 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 3.6.Thời gian tồn sóng Đường cong biểu diễn hàm sau v(t) = Vp exp (-t/T)  t = - logn (v(t)/Vp) Với số thời gian tính tốn theo công thức T = R1C1 Và thời gian t2 tính tốn với v(t)/Vp = 0.5  t2 = 693 us 700us 3.3 Mô dạng xung sét tiêu chuẩn Xây dựng mơ hình máy phát xung dịng sét dạng sóng 8/20us với thơng số phần tử Bảng 3.1 máy phát xung áp sét dạng sóng 1.2/50us 10/700us với thơng số Bảng 3.2 Tiến hành mơ xung dịng sét xung áp sét, kết sau: 3.3.1.Máy phát xung dịng 8/20 us dạng sóng mơ HVTH: Nguyễn Văn Quang 20 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 3.7 Sơ đồ máy phát xung dịng 8/20us Hình 3.8 Giao diện máy phát xung dịng 3kA 8/20us Hình 3.9 Dạng sóng mơ HVTH: Nguyễn Văn Quang 21 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 3.3.2.Máy phát xung áp 1.2/50 us dạng sóng mơ 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 máy phát xung áp 5kV 1.2/50us HVTH: Nguyễn Văn Quang 22 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh 3.3.3 Máy phát xung áp 10/700us dạng sóng mơ Hình 3.13 Sơ đồ máy phát xung áp 5kA 10/700us Hình 14 Giao diện máy phát 5kv 10/700us Hình 3.15 Dạng sóng mơ máy phát 5kV 10/700us HVTH: Nguyễn Văn Quang 23 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương: THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY THOẠI 4.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc[4] Các thiết bị chống sét lan truyền đường dây thoại có cấu tạo loại đơn tầng hay đa tầng Các phần tử bên bao gồm: - Ống phóng khí (GDT) có khả tản sét cao (đến 20kA 8/20us) thời gian tác động chậm (hàng trăm ns); - Diode zener có thời gian tác động nhanh (hàng ns) khả tản sét tương đối thấp (đến 5kA 8/20us) - Điện trở hạn dòng, mắc nối tiếp Chính vậy, để thiết bị chống sét lan truyền đường dây thoại hiệu cao, cần phải kết hợp phần tử bảo vệ khác mạch bảo vệ Tuy nhiên, thực tế, nhằm tiết giảm chi phí sử dụng loại bảo vệ đơn tầng (chỉ sử dụng GDT hay GDT+R) nơi có mức lộ thiên thấp nơi có mức lộ thiên cao thường sử dụng loại bảo vệ đa tầng (GDT+R+ Zener Diode) nhằm tăng hiệu bảo vệ 4.1.1 Thiết bị chống sét đường dây thoại kiểu kết nối vặn vít (UTBTA) Thiết bị chống sét đường dây thoại (UTB-TA) có cấu tạo loại bảo vệ đơn tầng, kết nối kiểu vít vặn (Hình 4.1) Điện trở R nối tiếp tiếp với mạch nhằm mục đích hạn dịng xung sét Phần tử GDT bình thường hở mạch trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất điện áp ngang qua điện cực GDT đất vượt điện áp ngưỡng HVTH: Nguyễn Văn Quang 24 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh UTB TA Hình 4.1 Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền đường dây thoại 4.1.2 Thiết bị chống sét đường Modem kiểu kết nối vặn vít (UTBSA) Thiết bị chống sét 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 đường Modem Phần tử GDT bình thường hở mạch trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất điện áp ngang qua điện cực GDT đất vượt điện áp ngưỡng Điện trở R phân cách tầng (GDT) tầng (Zener Diode), nhằm đảm bảo GDT hoạt động trước dẫn phần lớn lượng sét xuống đất Zener Diode có tác dụng cầm giữ điện áp ngõ mức thấp, đảm bảo an toàn cho thiết bị bảo vệ 4.1.3 Thiết bị chống sét cho cặp dây thoại (SLP1K2) 10 cặp dây thoại (SLP10-K1F) kiểu kết nối giá Krone Thiết bị chống sét cho cặp dây thoại (SLP1K2) có cấu tạo loại bảo vệ đa tầng, kết nối kiểu giá Krone (Hình 4.3) Phần tử GDT bình thường hở mạch trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất điện áp ngang qua điện cực GDT đất vượt điện áp ngưỡng Điện trở R phân cách tầng (GDT) tầng (Zener Diode), nhằm đảm bảo GDT hoạt động trước dẫn phần lớn lượng sét HVTH: Nguyễn Văn Quang 25 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh xuống đất Zener Diode có tác dụng cầm giữ điện áp ngõ mức thấp, đảm bảo an tồn cho thiết bị bảo vệ Hình 4.3 Cấu tạo thiết bị chống sét cho cặp/10 cặp dây thoại Nhằm tiết giảm chi phí, thiết bị chống sét cho 10 cặp dây thoại (SLP1K2) có cấu tạo loại bảo vệ đơn tầng, kết nối kiểu giá Krone (Hình 4.3) Phần tử GDT bình thường hở mạch trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất điện áp ngang qua điện cực GDT đất vượt điện áp ngưỡng 4.1.4.Thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11 Thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11 (SLP1RJ11) có cấu tạo loại bảo vệ đơn tầng (Hình 4.4) Điện trở R nối tiếp với mạch nhằm mục đích hạn dịng xung sét Phần tử GDT bình thường hở mạch trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất điện áp ngang qua điện cực GDT đất vượt điện áp ngưỡng Thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11 (SLP1RJ11A) có cấu tạo loại bảo vệ đa tầng (Hình 4.4) Phần tử GDT bình thường hở mạch trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất điện áp ngang qua điện cực GDT đất vượt điện áp ngưỡng Điện trở R phân cách tầng (GDT) tầng (Zener Diode), nhằm đảm bảo GDT hoạt động trước dẫn phần lớn lượng sét xuống đất Zener Diode có tác dụng cầm giữ điện áp ngõ mức thấp, đảm bảo an toàn cho thiết bị bảo vệ HVTH: Nguyễn Văn Quang 26 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 4.4 Cấu tạo thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11 4.1.5 Các thơng số Các thơng số thiết bị chống sét 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)  Tổng trở mạch vòng ()  Điện áp bảo vệ ứng với xung dòng tiêu chuẩn (UL)  Chuẩn đầu kết nối: Krone, RJ11, … 4.2 Yêu cầu kỹ thuật điều kiện lựa chọn 4.2.1 Yêu cầu kỹ thuật Theo Qui phạm chống sét cho cơng trình viễn thơng TCN -174: 1998 Tổng cục Bưu điện, điều 9, mục 1, thiết bị chống sét đường thoại phải thỏa yêu cầu kỹ thuật sau:  Thiết bị phải có khả chịu dịng xung sét dạng sóng 8/20us có biên độ khơng nhỏ 5kA  Thời gian nhạy đáp ứng thiết bị không lớn 5ns sóng xung áp có độ dốc 2kV/ns  Tỷ số sóng đứng cho tồn dải tần làm việc không lớn 1,5:1 HVTH: Nguyễn Văn Quang 27 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh  Suy hao xen vào thiết bị bảo vệ phải nhỏ 0.5dB dải tần làm việc  Dải nhiệt độ làm việc thiết bị rộng, thích nghi với điểm lắp đặt  Điện dung thiết bị chống sét không lớn 3pF  Thiết bị có trở kháng loại đầu nối thích hợp  Thiết bị phải chịu 400 lần sóng dạng 10/1000us có biên độ 500A 4.2.2 Điều kiện lựa chọn Thiết bị chống sét đường thoại chọn theo điều kiện sau: Dòng xung sét cực đại với dạng sóng sét chuẩn 8/20us Isđmc > Ismax Với: Isđmc biên độ xung sét cực đại mà thiết bị chống sét chịu đựng (kA); Ismax biên độ xung sét cực đại ghi nhận nơi đặt thiết bị chống sét (kA) Điện áp làm việc cực đại UMCOV > Ulvmax Với: UMCOV điện áp vận hành định mức thiết bị chống sét đường thoại (V); Ulvmax điện áp làm việc cực đại (V) Tốc độ truyền tín hiệu: fmax > fđm Với: fđm tốc độ truyền định mức mạng (MHz hay Mb/s); fmax tốc độ truyền tín hiệu cực đại thiết bị chống sét đường thoại (MHz hay Mb/s) Điện áp bảo vệ: Up< 480V ứng với xung dòng 3kA 8/20us Suy hao xen vào: ΔS < 0.5dB HVTH: Nguyễn Văn Quang 28 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Đầu nối phù hợp: Krone, RJ11,… Đáp ứng tiêu chuẩn áp dụng hành HVTH: Nguyễn Văn Quang 29 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ CHỐNG SÉT TRÊN ĐƯỜNG THOẠI 5.1 Mơ hình ống phóng điện khí GDT 5.1.1 Tổng quan ống phóng điện khí Ống phóng khí (GDT- Gas Discharge Tube) sản phẩm cải tiến khe hở phóng điện, thích hợp cho bảo vệ mạng viễn thơng Loại thường sử dụng cho mạng viễn thơng có đường kính 3/8 inch dày ¼ inch [5] Mặt cắt ngang ống phóng điện khí trình bày Hình 5.1 Nó gồm có vỏ thủy tinh sứ bên ngồi bên chứa đầy khí trơ áp suất thấp với hai điện cực hai bên Hầu hết ống phóng khí có chứa chất phát xạ để ổn định điện áp phóng điện Do có kích thước nhỏ khe hở rộng nên điện dung thấp (vài pF) Khi khơng hoạt hóa trạng thái tổng trở ngắt điện trở cách điện lớn Các thơng số kỹ thuật ống phóng điện khí bao gồm:  Điện áp phóng điện biến thiên chậm khoảng 5000V/s Giá trị điện áp chiều phạm vi từ 75V đến 300V  Điện áp dư cực đại vào khoảng 60% đến 70% điện áp phóng điện  Điện áp hồ quang điện áp ngang qua thiết bị dẫn điện Điện áp thường vào khoảng 3V đến 10V, vượt 30V với xung dòng cực đại  Dòng xung cực đại, sóng 8/20us từ 10kA đến 20kA, sử dụng cho thiết bị viễn thơng Hình 5.1 Mặt cắt ngang ống phóng khí HVTH: Nguyễn Văn Quang 30 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Ống phóng khí có ưu điểm sau:  Khả chịu dòng cao;  Điện dung thấp;  Trạng thái tổng trở ngắt cao Ống phóng khí có khuyết điểm sau:  Thời gian đáp ứng thấp;  Tuổi thọ có giới hạn;  Điện áp thông qua cao;  Hư hỏng trạng thái hở mạch Điện áp phóng điện (kV) Thời gian đáp ứng ống phịng điện khí trình bày Hình 5.2 Thời gian đáp ứng (ns) Hình 5.2 Thời gian đáp ứng ống phóng khí 5.1.2 Các loại mơ hình ống phóng khí Mơ hình Kraft Hình 5.3 trình bày mơ hình ống phóng điện khí Kraft, mơ hình phát triển đầu tiên, dùng để mô tượng cháy xảy sét đánh hệ thống cao áp Trong mơ hình này, nguồn áp Vbreak phát điện áp đánh thủng Nếu điện áp bên vượt điện áp này, có dịng điện bắt đầu chảy, dịng đo Vsense ngắt công tắc S Điện cảm L giới hạn tăng trưởng dòng theo thời gian Trong đó, hồ quang mơ hình hai điện trở R1, R2 nhằm HVTH: Nguyễn Văn Quang 31 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh tăng trạng thái ổn định số Mơ hình dùng phương tiện trung gian mơ hình ống phóng điện khí Hạn chế mơ hình triệt hồ quang ổn định dãy thông số giới hạn điện trở hồ quang khơng thể giảm tùy ý Hình 5.3 Mơ hình ống phóng khí SPICE Kraft Mơ hình Larsson Mơ hình ATP-EMTP ống phóng điện khí Larsson giới thiệu lần Sau đó, mơ hình phát triển ứng dụng vào nhiều hệ thống khác Mạch tương đương mơ hình ống phóng khí trình bày Hình 5.4 Điện trở R1 điện trở rò tụ C1 điện dung khe hở, L1 điện cảm dây dẫn Rc điện trở công tắc Hai thông số R1 Rc xác định theo kinh nghiệm C1 ước lượng tính toán trường Điện cảm dây dẫn khoảng 1nH/mm Hai khối SC (khối điều khiển công tắc) RC (khối điều khiển điện trở) chứa mơ hình đặc tính phóng điện khe hở Trong môi trường ATP-EMTP, công tắc điều khiển TACS, công tắc loại TYPE 13 điện trở điều khiển TACS, điện trở loại TYPE 91 Khối chứa mã ghi ngôn ngữ MODELS, phát triển để dùng mô ATP – EMTP Những ngõ vào khối điện áp nút dòng điện nhánh mạch điện, ngõ khối tín hiệu điều khiển đưa tới phần tử TACS Điện áp đánh thủng dịng điện dập tắt phóng điện mơ hình khối SC Khi thời gian trễ qua, công tắc đóng lại, điện trở phụ thuộc thời gian HVTH: Nguyễn Văn Quang 32 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh mơ hình theo phương trình Toepler trong khối RC Điện trở hồ quang mơ hình khối RC Hình 5.4 Mơ hình ống phóng khí SPICE Larsson Mơ hình ống phóng khí đề xuất a Sơ đồ ngun lý ống phóng khí đơn Mơ hình lấy ý tưởng từ mơ hình ống phóng điện Larsson, với số hiệu chỉnh: điện trở R1 điện trở rị khe hở, có giá trị khoảng 100M nối song song với khố đóng cắt K (  ), điện dung khe hở C1 có giá trị khoảng 2pF nên bỏ qua, điện cảm dây dẫn khe hở L1 khoảng 1nH/mm có tác dụng giới hạn tăng trưởng dòng theo thời gian nên thường bỏ qua Giá trị điện trở khe hở xảy trình đánh thủng phụ thuộc thời gian mơ tả theo phương trình Toepler trong khối RC bỏ qua Sơ đồ tương đương mơ hình ống phóng khí đơn trình bày Hình 5.5 HVTH: Nguyễn Văn Quang 33 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh p1 SC V(t) R1 Rarc P2 Hình 5.5 Mơ hình ống phóng điện khí đề nghị Điện áp đánh thủng thông số khối công tắc điều khiển SC (Switch Control) Khi điện áp đặt vào khe hở ống phóng điện khí (trên khóa đóng cắt K) đạt đến giá trị điện áp đánh thủng, khoảng thời gian trễ tính tốn theo cơng thức nội suy kinh nghiệm, ứng với ống phóng điện khí giá trị vào khoảng 10100us tùy thuộc vào độ dốc xung áp (dV/dt) Khi điện áp hai cực khe hở đạt giá trị điện áp đánh thủng khơng phải khe hở phóng điện mà phải trải qua khoảng thời gian trễ, khoảng thời gian trễ cịn gọi thời gian chậm phóng điện phụ thuộc vào độ dốc xung áp đặt vào Ở trạng thái hồ quang bùng cháy, giá trị điện áp hồ quang ổn định Giá trị điện áp hồ quang điển hình cho hầu hết ống phóng điện hạ áp thường 10-25V Trong mơ hình đề xuất, điện áp hồ quang thay giá trị điện trở hồ quang Rarc (1-2m  ) nối tiếp với khóa đóng cắt Mơ hình ống phóng điện khí thiết bị hai cực với đặc tính hai chiều đối xứng Một điều lưu ý khóa đóng cắt khe hở khơng khí khơng thể chuyển sang trạng thái “off” cường độ dòng điện giảm xuống giá trị cường độ dịng điện trì (thường 100 mA) hay điện áp sụt điện áp phát sinh hồ quang Thơng số mơ hình ống phóng điện khí xác định từ thông số cung cấp nhà sản xuất:  Điện áp đánh thủng Vbreak  Thời gian trễ hay thời gian trì hỗn chậm phóng điện khe hở td HVTH: Nguyễn Văn Quang 34 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh b Xây dựng mơ hình ống phóng khí đơn - Khối đóng cắt SC (Hình 5.6): Khối V1 (Voltage measurement) đo điện áp hai điện cực khe hở, sau tín hiệu điện áp liên tục chuyển sang tín hiệu rời rạc (nhằm tăng tốc trình xử lý, tránh vịng lặp đại số) khối Transfer Fcn có chu kỳ lấy mẫu 0.001us Tín hiệu điện áp khối Transfer Fcn lấy trị tuyệt đối qua khối Abs vào khối so sánh (Compare to Constant) để so sánh với giá trị điện áp đánh thủng Vb khe hở Khi điện áp cực khe hở vượt giá trị điện áp đánh thủng ngõ khối Compare to Constant xuất tín hiệu điều khiển (logic 1) đóng khóa Breaker Tuy nhiên, thực tế khe hở khơng khí bị đánh thủng sau khoảng thời gian trễ hay gọi thời gian chậm phóng điện, tín hiệu đóng khóa Breaker đưa qua khối thời gian trễ (Unit delay) có thời gian trễ td Hình 5.6 Sơ đồ khối điều khiển SC - Khối khe hở: Sơ đồ khối khe hở Hình 5.5 xem tương đương với khối Breaker, hai phần tử điện trở R1, Rarc mơ hình khai báo khối Breaker Điện trở rị R1 khe hở có giá trị 100M  khai báo thông số Snubber resistance Rs, điện trở hồ quang Rarc có giá trị 2M  khai báo thông số Breaker resistance Ron Ở đây, khối Breaker sử dụng tín hiệu điều khiển đóng cắt từ bên ngồi (External control mode), trạng thái ban đầu khóa trạng thái mở (thơng số Initial state 0) Giao diện khối Breaker trình bày Hình 5.7 HVTH: Nguyễn Văn Quang 35 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.7 Giao diện khối Breaker - Liên kết khối điều khiển đóng cắt khối khe hở lại thành sơ đồ mơ đơn giản hóa có dạng (Hình 5.8): Hình 5.8 Sơ đồ mơ phóng điện khí MATLAB Tạo bảng khai báo thông số điện áp đánh thủng thời gian trễ ống phòng điện khí cần mơ cách sử dụng chức Mask Editor Các thơng số ống phóng điện khí cần khai báo trước tiến hành mơ (Hình 5.9): HVTH: Nguyễn Văn Quang 36 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.9 Giao diện Mask Editor MATLAB Tạo biểu tượng cho khối ống phóng khí: Trong Icon, sử dụng hàm image (imread('GDT1.jpg')) vẽ biểu tượng GDT cho mơ hình (Hình 5.10) Hình 5.10 Tạo biểu tượng cho mơ hình MatLab Nhấn nút Apply lúc mơ hình có dạng trình bày Hình 5.11 Hình 5.11 Biểu tượng ống phóng khí đơn c Xây dựng mơ hình ống phóng khí đơi Mơ hình ống phóng khí đơi (Dual GDT) tạo thành từ hai mơ hình ống phóng khí đơn (Hình 5.12) HVTH: Nguyễn Văn Quang 37 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.12 Mơ hình ống phóng khí đơi d Kiểm tra độ xác mơ hình ống phóng khí đề xuất Để kiểm tra độ xác mơ hình ống phóng khí đề xuất, tiến hành thử nghiệm với xung chuẩn 5kV 10/700us so sánh kết mô điện áp dư thử nghiệm giá trị điện áp dư cung cấp nhà sản xuất Hình 5.13 trình bày sơ đồ cấu tạo, nguyên lý thiết bị chống sét SLP10K1F hãng CRITEC Hình 5.14 trình bày dạng sóng điện áp dư ngõ thiết bị chống sét SLP10K1F xung sét ngõ vào 5kV 10/700us Hình 5.13 Sơ đồ mạch thiết bị chống sét SLP10-K1F HVTH: Nguyễn Văn Quang 38 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.14 Dạng sóng điện áp dư thiết bị chống sét SLP110K1Fứng với xung ngõ vào 5kV 10/700us Hình 5.15 sơ đồ khối mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F mơi trường Matlab, Hình 5.16 dạng sóng điện áp dư thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung ngõ vào 5kV 10/700us Hình 5.15 Mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F HVTH: Nguyễn Văn Quang 39 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.16 Dạng sóng điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung 5kV 10/700us Bảng 5.1 Kết so sánh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung áp 5kV 10/700us Xung thử SLP10K1F MÔ HÌNH Sai số(%) 5kV 10/700us 330V 328,2 0.55 Nhận xét: - Giá trị đỉnh điện áp dư mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F GDT có sai số nhỏ so với giá trị điện áp dư thiết bị SLP10K1-F cung cấp nhà sản xuất vào khoảng 0,55% - Do mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F khơng phản ảnh đầy đủ q trình phóng điện chất khí nên dạng sóng dư hai trường hợp có sai biệt khoảng thời gian đầu sóng 5.2 Mơ hình TVS Zener Diode a Cấu tạo đặc tính HVTH: Nguyễn Văn Quang 40 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Zener Diode (Zener TVS – Transient Voltage Suppression) [6] có cấu tạo từ tiếp giáp silicon p-n, thiết kế có diện tích lớn để vận hành điện áp ngược xử lý dịng điện cao họ với (diode điều chỉnh điện áp Zener) Một vài nhà chế tạo sử dụng diện tích bán dẫn mesa nhỏ với tản nhiệt kim loại để tản dòng xung đỉnh lớn Tuy nhiên, sử dụng khuôn bán dẫn planar die có điện tích lớn tạo dòng rò hệ số kẹp nhỏ Tiết diện cắt ngang bán dẫn planar die trình bày Hình 5.17 vài khn mẫu Hình 5.18 Vỏ Plastic Lớp bán dẫn Mối hàn Hình 5.17 Mặt cắt ngang Diode Zener Hình 5.18 Các dạng khn mẫu TVS Zener Diode Các thông số kỹ thuật điện bao gồm:  Điện áp vận hành cực đại, có giá trị điện áp từ 5V đến 250V HVTH: Nguyễn Văn Quang 41 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh  Điện áp đánh thủng ngược cực đại, xác định điện áp xung đỉnh xoay chiều hay chiều mà diode chịu  Dòng xung đỉnh giới hạn cao mà thiết bị hi vọng có tuổi thọ cao  Điện áp kẹp đỉnh điện áp đỉnh mà diode cầm giữ xuất áp Thường hệ số kẹp có giá trị khoảng 1,1÷1,2  Năng lượng xung đỉnh lượng tiêu tán tức thời điều kiện xung đánh giá Thường giá trị lượng xung đỉnh 500W, 600W và1.500W cho dạng sóng 10/1000us  Dịng rị có giá trị tương đối cao cấp hạ áp công nghiệp (500uA đến 1000uA) giảm xuống đến 5uA thấp với điện áp cao 10V  Dung kháng họ diode phổ biến 1500W, thường vượt 10.000pF điểm phân cực cho phần điện áp 6.8V giảm theo hàm mũ xuống thấp 100pF cho thiết bị điện áp 220V Dung kháng có ảnh hưởng đường tín hiệu tần số cao Ở mạch điện truyền liệu tốc độ cao, dung kháng thấp ghép nối tiếp hai diode Hình 5.19 Dưới điều kiện vận hành bình thường, diode (Ds) làm việc dòng phân cực Vì yêu cầu lượng tiêu tán diode nhỏ nên diện tích cho phép nhỏ nhiều với TVS diode (Dz) với mục đích cung cấp điện dung thấp Diode phía thường khơng dùng để làm việc chế độ thác Do đó, có điện áp âm vượt điện áp ngược khối hai diode xảy diode có lượng thấp phải bảo vệ diode khác (Dp) kết nối chấm chấm Hình 5.19 Sự xếp tương thích cho trường hợp mà tín hiệu đường dẫn ln ln dương Khi truyền tín hiệu xoay chiều diode Dp phải thay khối có dung kháng thấp khác, kết nối ngược song song Tốc độ ngắt dẫn thuộc tính thứ Diode Zener TVS Hiệu ứng thác xảy vài pico giây thử nghiệm phù hợp với lý thuyết gần khó Trong thực tế thiết bị có thời gian đáp ứng gần HVTH: Nguyễn Văn Quang 42 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Diode tiếp giáp p-n diode đơn hướng Để sử dụng đường tín hiệu xoay chiều phải có thiết bị đa hướng cách nối hai thiết bị đơn hướng đối lưng với Hầu hết nhà sản xuất dùng khối PNP hay NPN Vùng trung tâm làm tương đối rộng so sánh với cực B transitor nhằm tối thiểu hóa hoạt động transitor nguyên nhân gây tăng dịng rị Hình 5.19 Ghép Zener Diode với diode Hình 5.20 Biểu tượng mơ hình Zener Diode Cơ chế khơng già hóa tính chất đặc trưng Diode Zener Chúng thường hai trạng thái: tốt ngắn mạch lúc tải Tuổi thọ lâu dài, nghiên cứu chứng khơng có suy giảm tuổi thọ phụ thuộc vào thông số điểm trước hư hỏng Kết hư hỏng áp nguyên nhân tản nhiệt kim loại chip silicon không hoạt động nhiệt nên dẫn đến hư hỏng Giống MOV, chip silicon nhanh chóng hư hỏng trạng thái ngắn mạch lâu dài hay độ rộng xung lớn vượt khả chúng Ưu điểm Diode Zener là: khả chịu xung lặp lại cao, hệ số kẹp thấp, thời gian tác động hàng ns, khơng già hóa, dãy điện áp rộng, hư hỏng trạng thái ngắn mạch Nhược điểm Diode Zener là: dịng xung khơng lặp lại thấp, dung kháng cao với điện áp thấp HVTH: Nguyễn Văn Quang 43 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Do tốc độ đáp ứng nhanh hệ số kẹp thấp nên diode zener dùng để bảo vệ thiết bị vi xử lý, góp DC cổng nhập/xuất b Mơ hình TVS Zener Diode Mơ hình TVS Zener Diode cấu thành từ mơ hình Zener Diode có thư viện Mallab, ghép với diode theo sơ đồ Hình 5.19 Các thơng số cần nhập 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 thơng số Zener Diode Thơng số diode cịn lại lựa chọn phù hợp với thông số TVS Zener diode nhằm thực chức giảm điện dung tiêu tán bảo vệ hai diode mắc nối tiếp xuất điện áp ngược gây nguy hiểm cho diode c Kiểm tra độ xác mơ hình HVTH: Nguyễn Văn Quang 44 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Sử dụng mơ hình xung áp 5kV 10/700us kiểm tra đáp ứng mơ hình TVS Zener Diode vừa xây dựng sơ đồ Hình 5.22 Hình 5.22 Sơ đồ mơ đáp ứng TVS Zener Diode Mơ hình hóa mô TVS Zener Diode P K E v P K E hãng V i s h a y với thông số cho Bảng 5.2 Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật TVS Zener Diode Hãng Vishay Dòng xung Điện áp ổn Điện áp Tổng trở Tổng trở đầu làm việc áp ứng với Loại làm việc max (V) động (Ω) gối(Ω) cực đại xung 5kV (KA) 10/700V P4KE30 31.5 10 100 41.4 P4KE20 21.0 10 100 27.7 Tiến hành thử nghiệm đáp ứng TVS Zener Diode ứng với xung 5kV 10/700us trình bày Hình 5.23, 5.24 HVTH: Nguyễn Văn Quang 45 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 5.23 Điện áp ổn áp P4KE30 với xung áp 5kV 10/700us Hình 5.24 Điện áp ổn áp P4KE20 với xung áp 5kV 10/700us So sánh kết mô với giá trị cho catalogue, sai số mô hình tổng hợp Bảng 5.3 Bảng 5.3 Kết so sánh mô TVS Zener Diode Hãng Vishay Loại TVS Zener Diode P4KE30 P4KE20 Theo catalogue (V)_Vrcat 41,4 27,7 Theo mơ hình (V)_Vrmod 40,38 26,68 Sai số (%)_ V 2,46 3,68 Sử dụng mơ hình mô TVS Zener Diode hãng Crydom loại BZY91C68 BZY91C39 có thơng số cho Bảng 5.4 HVTH: Nguyễn Văn Quang 46 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật TVS Zener Diode Hãng Crydrom Điện áp Dòng xung Điện áp ổn áp ứng Tổng trở Tổng trở đầu Loại làm việc max làm việc với xung 5kV động (Ω) gối(Ω) (V) cực đại (A) 10/700V BZY91C68 50 10 100 64 BZY91C39 29 10 100 37 Tiến hành thử nghiệm đáp ứng TVS Zener Diode ứng với xung 5kV 10/700us trình bày Hình 5.25, 5.26 Hình 5.25 Điện áp ổn áp BZY91C68với xung áp 5kV 10/700us Hình 5.26 Điện áp ổn áp BZY91C39 với xung áp 5kV 10/700us So sánh kết mô với giá trị cho catalogue, sai số mô HVTH: Nguyễn Văn Quang 47 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 dòng 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 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Bảng 5.8 Kết so sánh điện áp dư mô 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 dòng 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 Luan van 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 thơng 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, không 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 Luan van 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 Luan van Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương KẾT LUẬN Đề tài “Mơ 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 mơ 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 (