Xây dựng mơ hình máy phát xung dịng sét dạng sóng 8/20us với thơng 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 dịng 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 dòng, 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 khơng 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 thông. Loại thường sử dụng cho mạng viễn thông 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.
Dòng 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 công tắc S. Điện cảm L giới hạn sự tăng trưởng dịng theo thời gian. Trong đó, hồ quang được mơ hình bằng hai điện trở R1, R2 nhằm
Thời gian đáp ứng (ns) Đi ện á p phó ng đi ện (kV)
HVTH: Nguyễn Văn Quang 32
tăng trạng thái ổn định số. Mô hình này cũng được dùng như một phương tiện trung gian của mơ hình ống phóng điện khí. Hạn chế của mơ hình này là sự triệt hồ quang của nó chỉ ổn định trong một dãy thơng số giới hạn và điện trở hồ quang không thể giảm tùy ý.
Hình 5.3. Mơ hình ống phóng khí SPICE của Kraft 2. Mơ hình của Larsson 2. Mơ hình của Larsson
Mơ hình trong ATP-EMTP của ống phóng điện khí được Larsson giới thiệu lần đầu tiên. Sau đó, mơ hình này được phát triển và ứng dụng vào nhiều hệ thống khác.
Mạch tương đương của mơ hình ống phóng khí được trình bày trong Hình 5.4. Điện trở R1 là điện trở rò và tụ C1 là điện dung của khe hở, L1 là điện cảm của dây dẫn và Rc là điện trở của công tắc. Hai thông số R1 và Rc được xác định theo kinh nghiệm và C1 được ước lượng bằng những tính tốn 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 mơ hình đặc tính phóng điện của khe hở.
Trong môi trường ATP-EMTP, công tắc là một bộ điều khiển TACS, công tắc loại TYPE 13 và điện trở là bộ điều khiển TACS, điện trở loại TYPE 91. Khối chứa các mã đã ghi trong ngôn ngữ MODELS, đã phát triển để dùng trong mô phỏng ATP – EMTP. Những ngõ vào khối là các điện áp nút và dòng điện nhánh của mạch điện, ngõ ra khối là một tín hiệu điều khiển đưa tới phần tử TACS.
Điện áp đánh thủng và dịng điện dập tắt sự phóng điện được mơ hình trong khối SC. Khi thời gian trễ đi qua, cơng tắc đóng lại, điện trở phụ thuộc thời gian
HVTH: Nguyễn Văn Quang 33
được mơ hình theo phương trình của Toepler là trong trong khối RC. Điện trở hồ quang được mơ hình trong khối RC.
Hình 5.4. Mơ hình ống phóng khí bằng SPICE của Larsson 3. Mơ hình ống phóng khí đề xuất 3. 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 của Larsson, với một số hiệu chỉnh: điện trở R1 là điện trở rị của khe hở, có giá trị khoảng 100M được nối song song với khố đóng cắt K (), điện dung của khe hở C1 do có giá trị khoảng 2pF nên được bỏ qua, điện cảm của dây dẫn của khe hở L1 khoảng 1nH/mm chỉ có tác dụng giới hạn tăng trưởng của dòng theo thời gian nên thường được bỏ qua.
Giá trị điện trở của khe hở khi xảy ra quá trình đánh thủng phụ thuộc thời gian được mơ tả theo phương trình của Toepler trong trong khối RC được bỏ qua.
Sơ đồ tương đương của mơ hình ống phóng khí đơn được trình bày trong Hình 5.5.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 34 Rarc SC R1 P2 p1 V (t ) Hình 5.5. Mơ hình ống phóng điện khí đề nghị
Điện áp đánh thủng là thông số của 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, một khoảng thời gian trễ được tính tốn theo cơng thức nội suy kinh nghiệm, ứng với ống phóng điện khí giá trị này vào khoảng 10- 100us tùy thuộc vào độ dốc xung quá áp (dV/dt).
Khi điện áp trên hai cực của khe hở đạt giá trị điện áp đánh thủng thì khơng phải khe hở lập tức phóng điện mà phải trải qua một khoảng thời gian trễ, khoảng thời gian trễ này còn gọi là thời gian chậm phóng điện phụ thuộc vào độ dốc của xung quá áp đặt vào.
Ở trạng thái hồ quang bùng cháy, giá trị điện áp hồ quang khá ổn định. Giá trị điện áp hồ quang điển hình cho hầu hết ống phóng điện hạ áp thường là 10-25V. Trong mơ hình được đề xuất, điện áp hồ quang được thay thế bằng giá trị điện trở hồ quang Rarc (1-2m) nối tiếp với khóa đóng cắt.
Mơ hình ống phóng điện khí ở trên đây là thiết bị hai cực với đặc tính hai chiều đối xứng. Một điều lưu ý là khóa đóng cắt của khe hở khơng khí sẽ khơng thể chuyển sang trạng thái “off” khi cường độ dòng điện giảm xuống dưới giá trị cường độ dịng điện duy trì (thường là 100 mA) hay điện áp sụt dưới điện áp phát sinh hồ quang.
Thơng số của mơ hình ống phóng điện khí được xác định từ các thông số cung cấp bởi nhà sản xuất:
Điện áp đánh thủng Vbreak.
HVTH: Nguyễn Văn Quang 35
b. Xây dựng mơ hình ống phóng khí đơn
- Khối đóng cắt SC (Hình 5.6):
Khối V1 (Voltage measurement) đo điện áp ở hai điện cực của khe hở, sau đó tín hiệu điện áp liên tục này được chuyển sang tín hiệu rời rạc (nhằm tăng tốc quá trình xử lý, tránh các vịng lặp đại số) bởi khối Transfer Fcn có chu kỳ lấy mẫu là 0.001us. Tín hiệu điện áp ra của khối Transfer Fcn được lấy trị tuyệt đối qua khối
Abs và 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 ở 2 cực khe hở vượt quá giá trị điện áp đánh