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.
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. Dịng 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:
6. Đầu nối phù hợp: Krone, RJ11,….
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 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 ngoài 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 thơng 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
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 thông qua cao;
Hư hỏng ở trạng thái hở mạch.
Thời gian đáp ứng của ống phòng 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
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 ngoài vượt quá 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 dòng 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)
tăng trạng thái ổn định số. Mơ 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 thông số giới hạn và điện trở hồ quang khơng 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
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.
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 cịn 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 dòng điện duy trì (thường là 100 mA) hay điện áp sụt dưới điện áp phát sinh hồ quang.
Thông 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.
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 q 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 thủng thì ngõ ra của khối Compare to Constant sẽ xuất tín hiệu điều khiển (logic 1) đóng khóa Breaker. Tuy nhiên, trong thực tế khe hở không khí chỉ bị đánh thủng
sau một khoảng thời gian trễ hay cịn gọi là thời gian chậm phóng điện, do đó tín
hiệu đóng khóa Breaker được đưa qua một khối thời gian trễ (Unit delay) có thời
gian trễ là td.
Hình 5.6. Sơ đồ khối điều khiển SC
- Khối khe hở:
Sơ đồ khối khe hở trong Hình 5.5. được xem tương đương với khối Breaker, hai phần tử điện trở R1, Rarc của mơ hình được khai báo trong khối Breaker. Điện
trở rò R1 của khe hở có giá trị là 100M được khai báo trong thông số Snubber
resistance Rs, điện trở hồ quang Rarc có giá trị là 2M được khai báo trong thông số Breaker resistance Ron. Ở đây, khối Breaker sử dụng tín hiệu điều khiển đóng
cắt từ bên ngoài (External control mode), trạng thái ban đầu của khóa là trạng thái mở (thơng số Initial state bằng 0). Giao diện khối Breaker trình bày ở Hình 5.7.
Hình 5.7. Giao diện khối Breaker
- Liên kết khối điều khiển đóng cắt và khối khe hở lại thành sơ đồ mơ phỏng đơn giản hóa có dạng (Hình 5.8):
Hình 5.8. Sơ đồ mơ phỏng phóng điện khí trong MATLAB
Tạo bảng khai báo thông số điện áp đánh thủng và thời gian trễ của ống phịng điện khí cần mơ phỏng bằng cách sử dụng chức năng Mask Editor.
Các thông số của ống phóng điện khí cần khai báo trước khi tiến hành mơ phỏng (Hình 5.9):
Hình 5.9. Giao diện Mask Editor trong 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 trong MatLab
Nhấn nút Apply và lúc này mơ hình có dạng trình bày ở 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) được tạo thành từ hai mơ hình ống phóng khí đơn (Hình 5.12).
Hình 5.12. Mơ hình ống phóng khí đơi d. Kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất d. Kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất
Để kiểm tra độ chính xác của mơ hình ống phóng khí đề xuất, tiến hành thử nghiệm với xung chuẩn 5kV 10/700us 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 5.13 trình bày sơ đồ cấu tạo, nguyên lý của thiết bị chống sét SLP10K1F của hãng CRITEC và Hình 5.14 trình bày dạng sóng điện áp dư ở ngõ ra của thiết bị chống sét SLP10K1F khi xung sét ngõ vào là 5kV 10/700us.
Hình 5.14. Dạng sóng điện áp dư của thiết bị chống sét SLP110K1Fứng với
xung ngõ vào 5kV 10/700us
Hình 5.15 là sơ đồ các khối mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F trong mơi trường Matlab, và Hình 5.16 là dạng sóng điện áp dư của thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung ngõ vào 5kV 10/700us.
Hình 5.16. Dạng sóng điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F
ứng với xung 5kV 10/700us.
Bảng 5.1. Kết quả so sánh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F ứng với xung áp 5kV 10/700us.
Xung thử SLP10K1F MƠ HÌNH Sai số(%)
5kV 10/700us 330V 328,2 0.55
Nhận xét:
- Giá trị đỉnh điện áp dư của mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F GDT có sai số rất nhỏ so với giá trị điện áp dư của thiết bị SLP10K1-F cung cấp bởi nhà sản xuất vào khoảng 0,55%.
- Do mơ hình thiết bị chống sét SLP10K1F khơng phản ảnh đầy đủ q trình phóng điện trong chất khí nên dạng sóng dư trong hai trường hợp có sai biệt trong khoảng thời gian đầu sóng.
5.2. Mơ hình TVS Zener Diode a. Cấu tạo và đặc tính a. Cấu tạo và đặc tính
Zener Diode (Zener TVS – Transient Voltage Suppression) [6] có cấu tạo từ tiếp giáp silicon p-n, được thiết kế có diện tích lớn để vận hành ở điện áp ngược và xử lý một dịng điện cao hơn họ với nó (diode điều chỉnh điện áp Zener).
Một vài nhà chế tạo sử dụng diện tích bán dẫn mesa nhỏ với bộ tản nhiệt bằng kim loại để tản dòng xung đỉnh lớn nhất. Tuy nhiên, nếu sử dụng một khuôn bán dẫn planar die có điện tích lớn sẽ tạo ra dịng rị và hệ số kẹp nhỏ. Tiết diện cắt ngang của bán dẫn planar die trình bày ở Hình 5.17 và một vài khuôn mẫu như Hình 5.18.
Hình 5.17. Mặt cắt ngang của Diode Zener
Hình 5.18. Các dạng khn mẫu TVS Zener Diode Các thông số kỹ thuật về điện bao gồm:
Điện áp vận hành cực đại, có giá trị điện áp từ 5V đến 250V.
Vỏ Plastic Lớp bán dẫn
Điện áp đánh thủng ngược cực đại, xác định điện áp xung đỉnh xoay chiều
hay một chiều mà diode có thể chịu được.
Dòng xung đỉnh là giới hạn trên cao nhất mà ở đó thiết bị được hi vọng là
sẽ có tuổi thọ cao.
Điện áp kẹp đỉnh là điện áp đỉnh mà diode cầm giữ được khi xuất hiện quá
áp. Thường hệ số kẹp có giá trị khoảng 1,1÷1,2.
Năng lượng xung đỉnh là năng lượng tiêu tán tức thời ở điều kiện xung
đánh giá. Thường giá trị năng lượng xung đỉnh là 500W, 600W và1.500W cho dạng sóng 10/1000us.
Dịng rị có giá trị tương đối cao đối với các cấp hạ áp công nghiệp
(500uA đến 1000uA) và giảm xuống đến 5uA hoặc thấp hơn với điện áp cao hơn 10V.
Dung kháng của họ diode phổ biến 1500W, thường vượt quá 10.000pF tại
điểm phân cực 0 cho phần điện áp 6.8V và sẽ giảm theo hàm mũ xuống thấp hơn 100pF cho thiết bị điện áp 220V.
Dung kháng có ảnh hưởng trên đường tín hiệu tại tần số cao. Ở mạch điện