3.1.2 . Các thơng số của xung dịng sét tiêu chuẩn a. Thời gian đầu sóng T1
Thời gian đầu sóng T1 của dịng điện xung sét có giá trị được xác định bằng 1,25 lần khoảng thời gian T giữa các thời điểm khi xung là 10% và 90% của giá trị đỉnh (Hình 3.2).
b. Thời gian tồn sóng T2
Thời gian tồn sóng T2 của dịng điện xung sét là giá trị được xác định bằng khoảng thời gian giữa điểm gốc giả định O1 và thời điểm khi điện áp giảm tới nửa giá trị đỉnh.
c. Điểm gốc giả định O1
Điểm gốc giả định O1 là giao điểm của đường thẳng ngang qua các điểm chuẩn 10% và 90% trên đầu sóng với trục thời gian.
d. Dung sai
Giá trị đỉnh : 10%
Thời gian đầu sóng: 10% T2 T1 O1 A B T
HVTH: Nguyễn Văn Quang 15
Thời gian tới nửa giá trị sóng: 10%
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 có thể được thay thế bằng mơ hình mạch đơn giản trình bày ở Hình 3.3, với C đặc trưng cho điện dung giữa mây và đất, sự phóng điện qua đường dẫn gồm điện cảm L mắc nối tiếp với điện trở R .
Ngun lý hoạt động của mơ hình như sau:
Cơng tắc S ở vị trí (1) nạp điện áp vào tụ điện C. Dòng điện xung được điều chỉnh bằng cách thay đổi trị số điện áp nạp. Điện áp nạp càng cao, năng lượng nạp W=1/2CU2 càng lớn.
Hình 3.3. Mơ hình máy phát xung dịng sét
T2 T1 50% T O1 A B U 1 0 L R C S 0 2
HVTH: Nguyễn Văn Quang 16
Cơng tắc S chuyển sang vị trí (2) xung q độ sẽ phóng qua mạch. Mạch phát xung dòng là một mạch RLC nối tiếp. Kết quả giải bài toán quá độ này như sau: I(s) = 2 2 2 / ch s s L U (3.1) Với: = R/2L, ch =1/ LC - Khi R > 2 C L
, xung dịng khơng dao động Mẫu số có hai nghiệm phân biệt:
2 2 2 2 2 1 ch ch s s (3.2) ) )( ( / ) ( 2 1 s s s s L U s I (3.3) Vì vậy: i(t) = [e (1 A)t e (1 A)t] RA U (3.4) Ở đây: A= 2 4 1 Q (3.5) =R/2L (3.6) ch =1/ LC (3.7) Q= ch/2 (3.8)
Phương trình (3.4) có thể viết dưới dạng: i(t) = [ 2 t1] t t t e e RA U (3.9)
HVTH: Nguyễn Văn Quang 17 Ở đây: LC L R L R t LC L R L R t 1 4 2 1 1 4 2 1 2 2 2 2 2 1 (3.10) Từ đó: C=(t1+t2)/R (3.11) L = Rt1t2/( t1+t2) (3.12) Đặt p = t2/t1; I0 = U/RA thì (3.9) trở thành: i(t) = [ 2 2 ] 0 t t p t t e e I (3.13)
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) Và I0/Imax = q = 1 1 p pp p (3.15)
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:
Th/t2 = ln(2q) (3.17) Khi p 1 thì Pp e p 1 ; Tm = t2 Khi R = 2 C L
HVTH: Nguyễn Văn Quang 18 t te L U t i( ) và giá trị Imax = L C e U Khi R< 2 C L
, xung dòng dao động theo công thức:
t e L U t i t sin ) ( Với: 2 2 4 1 L R LC
Tính chọn các giá trị R, L, C xác định được dạng xung theo qui định, bằng việc thay đổi giá trị điện áp nguồn nạp cho tụ sẽ được biên độ xung mong muốn.
Bảng 3.1. Thông số các phần tử trong mạch phát xung dịng sét dạng sóng 8/20us
Dạng xung C1 (uF) L1 (uH) R1 ()
8/20us 25 2 0,6
3.2.2 Mơ 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.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 19
Bảng 3.2.Thông số các phần tử trong máy phát xung áp với các dạng khác nhau Dạng
xung C1 C2 R1 R2 R3 R4 R5 L1
1.2/50us 20uF 0.1uF 3.2 4 33.5 1M 0 0
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 tốn học của đường cong này là v(t) = Vp (1 – exp (-t/T))
t = - T logn (1 – (v(t)/Vp))
Hằng số thời gian có thể xác định bằng biểu thức: T = R2C2
Với t(0.3) và t(0.9) được tính lần lượt theo cơng thức v(t)/Vp=0.3 và 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
HVTH: Nguyễn Văn Quang 20
Hình 3.6.Thời gian tồn sóng
Đường cong này được biểu diễn bằng hàm sau v(t) = Vp exp (-t/T)
t = - logn (v(t)/Vp)
Với hằng số thời gian về cơ bản tính tốn theo cơng thức T = R1C1
Và thời gian t2 được tính tốn với v(t)/Vp = 0.5
t2 = 693 us 700us
3.3. Mô phỏng các dạng xung sét tiêu chuẩn
Xây dựng mô hình máy phát xung dịng sét dạng sóng 8/20us với thông số các phần tử trong Bảng 3.1 và máy phát xung áp sét dạng sóng 1.2/50us và
10/700us với các thông số trong Bảng 3.2.
Tiến hành mơ phỏng các xung dịng sét và xung áp sét, kết quả như sau:
HVTH: Nguyễn Văn Quang 21
Hình 3.7. Sơ đồ máy phát xung dịng 8/20us
Hình 3.8. Giao diện máy phát xung dòng 3kA 8/20us
HVTH: Nguyễn Văn Quang 22
3.3.2.Máy phát xung áp 1.2/50 us và dạng sóng mơ 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
HVTH: Nguyễn Văn Quang 23
3.3.3. Máy phát xung áp 10/700us và dạng sóng mơ phỏng
Hình 3.13. Sơ đồ máy phát xung áp 5kA 10/700us
Hình 3. 14. Giao diện máy phát 5kv 10/700us
HVTH: Nguyễn Văn Quang 24
Chương: 4
THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY THOẠI 4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc[4].
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 dịng, mắc nối tiếp
Chính vì vậy, để thiết bị chống sét lan truyền trên đường dây thoại hiệu quả cao, cần phải kết hợp 3 phần tử bảo vệ khác nhau trong một mạch bảo vệ.
Tuy nhiên, trong thực tế, nhằm tiết giảm chi phí có thể chỉ sử dụng loại bảo vệ đơn tầng (chỉ sử dụng GDT hay GDT+R) ở những nơi có mức lộ thiên thấp và ở những nơi có mức lộ thiên cao thường sử dụng loại bảo vệ đa tầng (GDT+R+ Zener Diode) nhằm tăng hiệu quả bảo vệ.
4.1.1. Thiết bị chống sét trên đường dây thoại kiểu kết nối vặn vít (UTB-TA) TA)
Thiết bị chống sét trên đường dây thoại (UTB-TA) có cấu tạo là 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 và sẽ trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp ngang qua điện cực của GDT và đất vượt quá điện áp ngưỡng.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 25
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) 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 bình thường hở mạch và sẽ trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp ngang qua điện cực của GDT và đất vượt quá điện áp ngưỡng. Điện trở R phân cách tầng 1 (GDT) và tầng 2 (Zener Diode), nhằm đảm bảo GDT hoạt động trước và dẫn phần lớn năng lượng sét 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.
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) có cấu tạo loại bảo vệ đa tầng, kết nối kiểu giá Krone (Hình 4.3). Phần tử GDT bình thường hở mạch và sẽ trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp ngang qua điện cực của GDT và đất vượt quá điện áp ngưỡng. Điện trở R phân cách tầng 1 (GDT) và tầng 2 (Zener Diode), nhằm đảm bảo GDT hoạt động trước và dẫn phần lớn năng lượng sét
1 2
3 4
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
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 và sẽ trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp ngang qua điện cực của GDT và đất vượt quá 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 là 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 và sẽ trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp ngang qua điện cực của GDT và đất vượt quá 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 và sẽ trở nên ngắn mạch dẫn dòng xung sét xuống đất khi điện áp ngang qua điện cực của GDT và đất vượt quá điện áp ngưỡng. Điện trở R phân cách tầng 1 (GDT) và tầng 2 (Zener Diode), nhằm đảm bảo GDT hoạt động trước và dẫn phần lớn năng lượng sét 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.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 27
Hình 4.4. Cấu tạo thiết bị chống sét cho đường dây thoại kiểu kết nối RJ11 4.1.5. Các thơng số chính 4.1.5. Các thơng số chính
Các thơng 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) 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 và điều kiện lựa chọn 4.2.1. Yêu cầu kỹ thuật 4.2.1. Yêu cầu kỹ thuật
Theo Qui phạm chống sét cho các cơng trình viễn thơng TCN -174: 1998 của Tổng cục Bưu điện, điều 9, mục 1, các thiết bị chống sét trên đường thoại phải thỏa các yêu cầu kỹ thuật sau:
Thiết bị phải có khả năng chịu được dịng xung sét dạng sóng 8/20us có biên độ khơng 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.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 28
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.
4.2.2. Điều kiện lựa chọn
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 > Ismax
Với: Isđmc là biên độ xung sét cực đại mà thiết bị chống sét có thể chịu đựng được (kA); Ismax là biên độ xung sét cực đại ghi nhận được tại nơi đặt thiết bị chống sét (kA).
2. Điện áp làm việc cực đại
UMCOV > Ulvmax
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
Với: fđm là tốc độ truyền định mức của mạng (MHz hay Mb/s); fmax là tốc độ truyền tín hiệu cực đại của thiết bị chống sét trên đường thoại (MHz hay Mb/s).
4. Điện áp bảo vệ:
Up< 480V ứng với xung dòng 3kA 8/20us. 5. Suy hao xen vào:
HVTH: Nguyễn Văn Quang 29
6. Đầu nối phù hợp: Krone, RJ11,….
HVTH: Nguyễn Văn Quang 30
Chương 5
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 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 thơng. Loại thường sử dụng cho mạng viễn thơng có đường kính 3/8 inch và dày ¼ inch [5]. Mặt cắt ngang của ống phóng điện khí trình bày ở Hình 5.1. Nó gồm có một vỏ thủy tinh hoặc sứ bên ngồi 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 khơng 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 ngang qua thiết bị khi dẫn điện. Điện áp này thường vào khoảng 3V đến 10V, nhưng sẽ vượt quá 30V với xung dòng cực đại.
Dịng xung cực đại, đối với sóng 8/20us từ 10kA đến 20kA, sử dụng cho thiết bị viễn thông.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 31
Ống phóng khí có các ưu điểm sau:
Khả năng chịu dòng cao; Điện dung thấp;
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 thơng qua cao;
Hư hỏng ở trạng thái hở mạch.
Thời gian đáp ứng của ống phịng điện khí trình bày ở Hình 5.2.
Hình 5.2. Thời gian đáp ứng của ống phóng khí 5.1.2 Các loại mơ hình ống phóng khí 5.1.2 Các loại mơ hình ống phóng khí
1. Mơ hình của Kraft
Hình 5.3 trình bày mơ hình ống phóng điện khí của Kraft, đây là mơ hình đã được phát triển đầu tiên, dùng để mô phỏng hiện tượng cháy khi xảy ra sét đánh trong hệ thống cao áp. Trong mơ hình này, nguồn áp Vbreak phát điện áp đánh thủng. Nếu điện áp bên ngồi vượt q điện áp này, sẽ có dịng điện bắt đầu chảy, dịng này được đo bởi Vsense và ngắt cơng tắc S. Điện cảm L giới hạn sự tăng trưởng dòng