Dạng xung 1 2 R1 R2 R3 R4 R5 L1
1.2/50s 20F 0.1F 3.2 4 33.5 1M 0 0
10/700s 20F 0.2F 50 15 25 1M 0 0
Sau đây, kiểm tra độ chính xác ứng với dạng xung áp 10/700s như là một ví dụ:
a. iểm tra thời gian đầu sóng
ình 3.5 iai đoạn đầu sóng của dạng sóng áp Hàm tốn học của đường cong này là v(t) = p (1 – exp (-t/ ))
t = - logn (1 – (v(t)/ p)) Hằng số thời gian có thể xác định bằng biểu thức:
= R2ፆ2
ới t(0.3) và t(0.9) được tính lần lượt theo cơng thức v(t)/ p=0.3 và v(t)/ p=0.9 ìm được: t(0.3) = 1s
ình 3.6 hời gian tồn sóng
ường cong này được biểu diễn bằng hàm sau v(t) = p exp (-t/ ) t = - logn (v(t)/ p)
ới hằng số thời gian về cơ bản tính tốn theo cơng thức = R1ፆ1 à thời gian t2được tính tốn với v(t)/ p = 0.5
t2= 693s700s 3.3.mơ phỏng các dạng xung sét tiêu chuẩn
Xây dựng mơ hình máy phát xung dịng sét dạng sóng 8/20µs với thơng số các phần tử trong ảng 3.1 và máy phát xung áp sét dạng sóng 1.2/50µs và 10/700µs với các thơng số trong ảng 3.2.
iến hành mơ phỏng các xung dịng sét và xung áp sét, kết quả như sau:
ình 3.8Máy phát xung dịng 3kA 8/20s
ình 3.9Mơ phỏng dạng sóng xung dịng 3kA 8/20s
ình 3.11Máy phát xung áp 5k 1.2/50s
3.3.3. máy phát xung áp 10/700s và dạng sóng mơ phỏng
Ơ 4
RẾ BỊ Ố É LA RㄠYỀ
RÊ Í RỆㄠ Ơ RỆ
4.1. ấu tạo và nguyên lý làm việc chung
ፆác thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp có các phần tử bên trong bao gồm [1]:
1. Ống phóng khí ( ) có khả năng tản sét cao (đến 20kA 8/20s) nhưng thời gian tác động chậm (hàng trăm ns);
2. iến trở oxyt kim loại Mm , có khả năng tản sét đến 10kA 8/20s với thời gian tác động khoảng 25ns;
3. iode zener có thời gian tác động nhanh (hàng ns) nhưng khả năng tản sét tương đối thấp (đến 5kA 8/20s);
4. iện trở và/hoặc điện kháng hạn dịng, mắc nối tiếp.
ፆhính vì vậy, để thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp đạt hiệu quả cao, cần phải kết hợp các phần tử nêu trên trong một mạch bảo vệ.
4.2. hiết bị chống sét trên đường tín hiệu cơng nghiệp ㄠ B
hiết bị chống sét trên đường trên đường tín hiệu cơng nghiệp loại U được thiết kế để bảo vệ thiết bị tránh hư hỏng do sét cảm ứng lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp của cặp dây cân bằng. ፆác thiết bị này rất thích hợp để bảo vệ cho các thiết bị công nghiệp như: Hệ thống PLፆ, hệ thống SፆA A, hệ thống báo cháy, hệ thống an ninh an tồn, hệ thống chỉ thị cơng nghiệp và các thiết bị điều khiển [1], [3].
1. ㄠ B ingle air (ㄠ B- )
hiết bị U - SP là thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp, có chức năng bảo vệ một cặp dây cân bằng. ây là thiết bị bảo vệ chống sét lai đa tầng, có hiệu quả bảo vệ tốt nhất cho các thiết bị điện tử nhạy cảm, trong khi vẫn đảm bảo suy hao xen vào ở mức thấp nhất.
ình 4.2ፆấu tạo thiết bị U - SP ፆấu tạo thiết bị U - SP trình bày ở Hình 4.2 trong đó:
có khả năng tản năng lượng sét đến 20kA 8/20s, được thiết lập ở tầng bảo vệ đầu tiên, nhằm tản phần lớn năng lượng sét xuống đất.
iện trở R và điện kháng L có chức năng phân cách các tầng bảo vệ và cản một phần xung sét đi vào tầng bảo vệ thứ hai.
2. ㄠ B ingle air Rsolated round (ㄠ B- )
hiết bị U - SP là thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp, có chức năng bảo vệ một cặp dây cân bằng. ồng thời cho phép cô lập (tạo cách điện) giữa dây bọc tiếp đất và dây bảo vệ chung, thông qua việc trang bị một giữa hai dây này. ây là thiết bị bảo vệ chống sét lai đa tầng, có hiệu quả bảo vệ tốt nhất cho các thiết bị điện tử nhạy cảm, trong khi vẫn đảm bảo suy hao xen vào ở mức thấp nhất.
hiết bị U Single Pair - Rsolated round có cấu tạo tương tự như thiết bị U Single Pair Hình 4.2.
ình 4.3ፆấu tạo thiết bị U - SP
3. ㄠ B Dual air (ㄠ B-D )
hiết bị U - P là thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp, có chức năng bảo vệ hai cặp dây cân bằng. ây là thiết bị bảo vệ chống sét lai đa tầng, có hiệu quả bảo vệ tốt nhất cho các thiết bị điện tử nhạy cảm, trong khi vẫn đảm bảo suy hao xen vào ở mức thấp nhất.
4. ㄠ B Dual air - ingle ower upply, ingle Data air (ㄠ B-D )
hiết bị U - PS là thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp, có chức năng bảo vệ một cặp dây cân bằng; đồng thời bảo vệ một cặp dây cấp nguồn. ây là thiết bị bảo vệ chống sét lai đa tầng, có hiệu quả bảo vệ tốt nhất cho các thiết bị điện tử nhạy cảm, trong khi vẫn đảm bảo suy hao xen vào ở mức thấp nhất.
hiết bị U - PS có cấu tạo tương tự như thiết bị U -SP, nhưng có thêm hai biến trở oxyt kim loại Mm được trang bị trên đường cấp nguồn, với mục đích chống sét cảm ứng lan truyền trên đường cấp nguồn cho các thiết bị điện tử nhạy cảm trang bị trong các hệ thống điều khiển cơng nghiệp Hình 4.5.
ình 4.5ፆấu tạo thiết bị U - PS
4.3. ác thơng số chính
ፆác thơng số chính của thiết bị chống sét trên đường tín hiệu cơng nghiệp bao gồm:
iện áp định mức (Un): 3÷120 Aፆ/ 5÷154 ፆ
iện áp vận hành cực đại (UMፆm ): 5÷150 Aፆ/ 7÷170 ፆ
4.4. iều kiện lựa chọn
hiết bị chống sét trên đường tín hiệu công nghiệp được chọn theo các điều kiện sau: 1. òng xung sét cực đại với dạng sóng sét chuẩn 8/20s
Rsđmc> Rsmax
ới: Rsđmclà biên độ xung sét cực đại mà thiết bị chống sét có thể chịu đựng được (kA); Rsmax là biên độ xung sét cực đại ghi nhận được tại nơi đặt thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp (kA).
2. iện áp làm việc cực đại
UMፆm > Ulvmax
ới: UMፆm là điện áp vận hành lâu dài cực đại của thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp ( ); Ulvmaxlà điện áp làm việc cực đại ( ). 3. ốc độ truyền tín hiệu:
fmax> fđm
ới: fđm là tốc độ truyền định mức của mạng (MHz); fmax là tốc độ truyền tín hiệu cực đại của thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu cơng nghiệp (MHz).
4. iện áp bảo vệ: Up< Ucp
ới: Uplà điện áp bảo vệ ứng với xung dòng 3kA 8/20s( ); Ucplà điện áp lớn nhất cho phép của thiết bị cần bảo vệ ( ).
5. ầu kết nối phù hợp.
Ơ 5
XÂY DỰ mƠ Ì Ố É LA
RㄠYỀ RÊ Í RỆㄠ Ơ RỆ
5.1. ác loại mơ hình ống phóng khí ( D - as ischarge ube)
5.1.1. ấu tạo D
Ống phóng khí( D - as ischarge ube) là một cải tiến rất tinh vi của khe hở phóng điện, thích hợp cho bảo vệ trên đường tín hiệu cơng nghiệp. Loại thường sử dụng cho bảo vệ trên đường tín hiệu cơng nghiệp có đường kính 3/8 inch và dày ¼ inch. Mặt cắt ngang 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.
o 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.
ፆác thơng số kỹ thuật chính bao gồm: điện áp phóng điện (một chiều và xung), điện áp dư cực đại, điện áp hồ quang và dòng xung cực đại.
iện áp phóng điện biến thiên chậm khoảng 5000 /s. iá trị điện áp một chiều trong phạm vi từ 75v đến 300 để cung cấp các yêu cầu bảo vệ trên đường tín hiệu cơng nghiệp.
Ống phóng điện khí phóng điện hồ quang rất nhanh nhưng điện áp hồ quang tăng lên theo độ dốc của đầu sóng Hình 5.2. ường gần như thẳng đứng đặc trưng cho thời gian tăng đột biến của xung. hời gian đáp ứng lớn hơn 0.1s khi thời gian tăng chậm và giảm xuống dưới 0.1s với tốc độ tăng áp 20k /s.
dịng cực đại đối với sóng 8/20s từ 10kA đến 20kA sử dụng trên đường tín hiệu cơng nghiệp.
ình 5.1Mặt cắt ngang của ống phóng điện khí
ình 5.2 hời gian đáp ứng của ống phóng điện khí
Phần lớn do có khả năng tản dịng sét cao nên ống phóng điện khí được khuyến dùng làm phần tử chống sét ở tầng đầu tiên để bảo vệ cho các thiết bị trên đường truyền tín hiệu cơng nghiệp.
5.1.2. mơ hình ống phóng khí đơn1. ơ đồ ngun lý ống phóng khí đơn 1. ơ 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: hời gian đáp ứng (ns) iệ n áp ph ón g đi ện (k V )
iện dung của khe hở ፆ1có giá trị khoảng 2pF thường được bỏ qua;
iện cảm của dây dẫn của khe hở L1khoảng 1nH/mm, thường được bỏ qua;
iện trở hồ quang là điện trở của khe hở khi xảy ra quá trình đánh thủng, được mơ tả theo phương trình của oepler, thường được bỏ qua.
Sơ đồ tương đương của mơ hình ống phóng khí đơn được trình bày ở Hình 5.3.
ình 5.3Sơ đồ tương đương của ống phóng khí đơn
iện áp đánh thủng được khai báo trong thông số của khối công tắc điều khiển Sፆ. Khi điện áp đặt vào khe hở (trên khóa đóng cắt K) đạt đến giá trị điện áp đánh thủng, một khoảng thời gian trễ được tính tốn theo cơng thức kinh nghiệm, thường có giá trị từ 10-100us tùy thuộc vào độ dốc xung quá áp (d /dt).
Ở trạng thái hồ quang bùng cháy, giá trị điện áp hồ quang khá ổn định, thường là 10-25 . rong mơ hình được đề nghị 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 khí đơn là thiết bị hai cực với đặc tính hai chiều đối xứng. Lưu ý khóa đóng cắt của khe hở ống phóng điện 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.
2. Xây dựng sơ đồ khối mơ hình ống phóng khí đơn
a. Khối đóng cắt Sፆ
Khối 1 ( oltage measurement) đo điện áp ở hai điện cực của khe hở ống phóng khí đơn, sau đó tín hiệu điện áp liên tục này được chuyển sang tín hiệu rời rạc (nhằm tăng tốc q trình xử lý, tránh các vịng lặp đại số) bởi khối Transfer Fcn có chu kỳ lấy mẫu là 0.001s. ín hiệu điện áp ra của khối Transfer Fcn được lấy trị tuyệt đối qua khốiAbsvà đi vào khối so sánh (Compare to Constant)để so sánh với giá trị điện áp đánh thủng b của khe hở. Khi điện áp ở 2 cực khe hở vượt quá giá trị điện áp đánh thủng thì ngõ ra của khốiCompare to Constantsẽ xuất tín hiệu điều khiển (logic 1) đóng khóaBreaker. uy nhiên, trong thực tế khe hở ống phóng điện khí chỉ bị đánh thủng sau một khoảng thời gian trễ hay còn gọi là thời gian chậm phóng điện. o đó, tín hiệu đóng khóaBreaker được đưa qua một khối thời gian trễ (Unit delay)có thời gian trễ là td.
ình 5.4 Sơ đồ khối điều khiển Sፆ b. Khối khe hở
Sơ đồ trong Hình 5.3. ược xem tương đương với khối reaker, hai phần tử điện trở R1, Rarc của mơ hình được khai báo trong khối reaker. iện trở rị R1 của khe hở ống phóng điện khí có giá trị là 100M được khai báo trong thơng số Snubber resistance Rs, điện trở hồ quang Rarc có giá trị là 1m được khai báo trong 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 của khóa là trạng thái mở (thơng sốInitial statebằng 0).
ình 5.5Khai báo các thơng số trong reaker
Liên kết khối điều khiển đóng cắt và khối khe hở lại thành mơ hình đơn giản hóa Hình 5.6.
ình 5.6Sơ đồ mơ hình ống phóng điện đơn trong MA LA
ạo bảng khai báo thông số điện áp đánh thủng và thời gian trễ của thiết bị chống sét cần mô phỏng bằng cách sử dụng chức năngMask Editor để thuận tiện cho việc mơ phỏng các khe hở khơng khí có các thơng số khác nhau.
ình 5.7 iao diện Mask Editor trong MA LA c. ạo biểu tượng cho khối ống phóng khí đơn:
rongIcon, sử dụng hàm image(imread(' 1.jpg')) vẽ biểu tượng cho mơ
hình.
ình 5.8 ạo biểu tượng cho mơ hình ống phóng khí đơn trong MatLab Nhấn nútApplyvà lúc này mơ hình có dạng.
ình 5.9 iểu tượng ống phóng khí đơn
5.1.3. mơ hình ống phóng khí đơi
Mơ hình ống phóng khí đơi ( ual ) được tạo thành từ hai mơ hình ống phóng khí đơi Hình 5.10.
ình 5.10Mơ hình ống phóng khí đơi
5.1.4. iểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất
ể kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất, tiến hành thử nghiệm với xung chuẩn 5k 10/700s và so sánh kết quả mô phỏng điện áp dư thử nghiệm và giá trị điện áp dư cung cấp bởi nhà sản xuất.
Hình 5.11 trình bày sơ đồ mơ phỏng điện áp dư ống phóng điện khí 21-A 230X (Un=230 , Rmax=20kA 8/20s) của hãng Siemens và Hình 5.12 trình bày dạng sóng điện áp dư ở ngõ ra của ống phóng điện khí 21-A 230X khi xung sét ngõ vào là 5k 10/700s.
ình 5.11Sơ đồ mơ phỏng điện áp dư của ống phóng điện khí 21-A230X của Siemens, ứng với điện xung 5k 10/700s
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 x 10-5 0 50 100 150 200 250 300 350 X: 1.5e-07 Y: 328.2 t(us) Vr (v ol ts) GDT Typical let-through voltage
ình 5.12 ạng sóng điện áp dư của ống phóng điện khí 21-A230X
của Siemens, ứng với xung 5k 10/700s.
ảng 5.1 trình bày kết quả so sánh giá trị điện áp dư ống phóng điện khí 21- A230X ứng với xung áp 5k 10/700s thông qua mô phỏng và giá trị điện áp dư cung cấp bởi nhà sản xuất.