Mô phỏng hiệu quả của các thiết bị phối hợp bảo vệ trên đường dây điện thoạ

Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI<br /> <br /> MÔ PHỎNG HIỆU QUẢ CỦA CÁC THIẾT BỊ PHỐI HỢP BẢO VỆ<br /> TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI<br /> ThS. Nguyễn Thị Ngọc Soạn<br /> Khoa Khai thác - Trường ĐH Nha Trang<br /> Bài báo này giới thiệu về mô hình mô phỏng của hai thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường dây<br /> điện thoại, đó là GDT (Gas Discharge Tube) và TVS Diode (Transient Voltage Suppressor Diode). Chúng được<br /> phối hợp bảo vệ theo hai cấp: sơ cấp và thứ cấp. Đặc biệt, đáp ứng tác động của chúng được mô phỏng bằng<br /> phần mềm ORCAD-PSPICE dưới xung sét thử nghiệm là xung chuẩn 10/700μs, biên độ 5KV theo tiêu chuẩn<br /> viễn thông quốc tế ITU-T K20 .<br /> Kết quả mô phỏng của hai mô hình thiết bị GDT và TVS Diode và các mạch phát xung sét chuẩn sẽ được<br /> kiểm tra tính đúng đắn bằng cách so sánh với tài liệu tương ứng của nhà sản xuất ERICO,Inc cung cấp.<br /> Điện trở phối hợp<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Thiết bị điện tử ngày nay dễ bị hư hỏng<br /> hơn đối với các xung quá áp và quá trình quá<br /> độ. Đường dây điện thoại là một phần trong<br /> cấu trúc hạ tầng mạng viễn thông hiện nay, nó<br /> sử dụng nhiều linh kiện nhạy cảm nên rất cần<br /> có những hình thức bảo vệ hữu hiệu ngay từ<br /> tổng đài đến các thiết bị thuê bao của khách<br /> hàng. Hệ thống 2 dây Tip và Ring của đường<br /> dây này đi ngoài trời rất dễ bị ảnh hưởng của<br /> các nhiễu gây ra do sét đánh trực tiếp, do cảm<br /> ứng hay tiếp xúc với đường dây điện lực. Tại<br /> các tổng đài ngoài việc chống sét đánh trực<br /> tiếp, đánh trên đường dây cấp nguồn hạ áp thì<br /> người ta phải lắp đặt các thiết bị triệt xung áp<br /> lan truyền để bảo đảm rằng ngay cả các xung<br /> áp nhỏ cũng không gây hại cho thiết bị.<br /> Các mạch bảo vệ phi tuyến được thiết kế<br /> bảo vệ đường dây điện thoại thường có hai<br /> khâu: khâu thứ nhất là một van chống sét khí<br /> GDT (Gas Discharge Tube) để bảo vệ sơ bộ<br /> và khâu thứ hai là một diode triệt xung TVS<br /> Diode (Transient Voltage Suppressor Diode)<br /> để bảo vệ chính xác. Hai khâu được kết hợp<br /> với nhau bằng một trở kháng, thường là một<br /> điện trở để giới hạn dòng.<br /> <br /> 58<br /> <br /> R<br /> <br /> P1<br /> <br /> Bảo vệ<br /> sơ cấp<br /> <br /> P2 Đối tượng<br /> <br /> bảo vệ<br /> <br /> Bảo vệ<br /> thứ cấp<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ khối phối hợp bảo vệ<br /> Ở sơ đồ khối phối hợp bảo vệ thì P1 là bảo<br /> vệ sơ cấp dùng GDT, R là phần tử phối hợp và<br /> là điện trở giới hạn dòng, P2 là bảo vệ thứ cấp<br /> sử dụng phần tử TVS Diode.<br /> Để kiểm chứng hiệu quả bảo vệ, cần thiết<br /> phải thực hiện sự vận hành của mạch điện dưới<br /> tác động của một xung sét chuẩn. Bài báo này<br /> giới thiệu việc kiểm chứng hiệu quả bảo vệ của<br /> hai phần tử GDT và TVS Diode bằng cách mô<br /> phỏng trên phần mềm ORCAD-PSPICE. Mô<br /> hình hai phần tử GDT và TVS Diode được sử<br /> dụng trong hai khâu bảo vệ là hai mô hình mới<br /> được xây dựng và đưa vào thư viện dùng<br /> chung của phần mềm PSPICE để dùng như<br /> một linh kiện có sẳn. Kết quả mô phỏng hoạt<br /> <br /> Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> động của chúng sẽ được so sánh với thông tin,<br /> tư liệu được cung cấp từ nhà sản xuất ra các<br /> loại thiết bị chống sét, công ty ERICO, để đánh<br /> giá tính đúng đắn của mô hình thông qua hiệu<br /> quả của việc phối hợp bảo vệ.<br /> II. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ<br /> Đây là hai thiết bị được thiết kế để bảo vệ<br /> quá áp, nó được lựa chọn bởi hiệu quả và tính<br /> kinh tế mà nó mang lại. Dưới đây giới thiệu<br /> tóm tắt một số đặc điểm của hai thiết bị này:<br /> ™ GDT là các ống phóng khí thường có dạng<br /> 2 cực và 3 cực. Các điện cực được giữ ở<br /> khoảng cách gần nhau và đặt trong ống có đầy<br /> khí trơ áp suất thấp. Khi có điện áp cao đặt vào<br /> giữa các điện cực vượt quá giá trị ngưỡng thì<br /> khí bên trong bị ion hóa và xuất hiện dòng điện<br /> chạy qua các điện cực. Ở trạng thái không dẫn<br /> (off) thì điện trở của ống phóng khí rất cao,<br /> nhưng khi dẫn giá trị điện trở này giảm xuống<br /> đột ngột, dẫn dòng điện sét xuống đất.<br /> ™ TVS diode là các diode được chế tạo đặc<br /> biệt, chúng có đặc tính là điện áp hoạt động và<br /> điện áp kẹp thấp, thời gian đáp ứng khá nhanh<br /> khi tác động.<br /> III. MÔ PHỎNG<br /> 1. Phần mềm sử dụng để mô phỏng<br /> ORCAD-PSPICE là phần mềm liên thông<br /> dùng để vẽ mạch điện và mô phỏng, phân tích<br /> sự làm việc của mạch điện đó. Nó có một thư<br /> viện đủ lớn chứa tất cả các mô hình của các<br /> phần tử có thể có mặt trong mạch điện tử với<br /> các thông số cụ thể và với hãng sản xuất cụ<br /> thể.<br /> Hai mô hình phần tử chống sét mới GDT<br /> và TVS Diode của tác giả xây dựng sẽ được<br /> đưa vào thư viện của ORCAD 9.1 vì trong đó<br /> nhà sản xuất phần mềm chưa có hai mô hình<br /> này. Việc bổ sung hai mô hình này vào thư<br /> viện của ORCAD có ý nghĩa rất lớn trong giai<br /> đoạn hiện nay vì đây là một phần mềm phổ<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> dụng trong các viện nghiên cứu, các trường đại<br /> học. Hiện nay ở nước ta, các phòng thí nghiệm<br /> về thiết bị cao áp còn rất hạn chế, cho nên việc<br /> kiểm tra thiết bị bằng mô hình thay thế và thực<br /> hiện mô phỏng trên máy tính là một giải pháp<br /> tốt cả về kỹ thuật lẫn kinh tế.<br /> 2. Mô hình GDT và TVS Diode<br /> Mô hình GDT và TVS Diode xây dựng theo<br /> ngôn ngữ lập trình của PSPICE dựa trên cấu<br /> trúc mô hình của Borgeest [1,2], không sử dụng<br /> các công tắc chuyển mạch mà thay bằng các<br /> nguồn áp điều khiển bằng nguồn dòng. Sự thay<br /> đổi điện trở theo thời gian trong lòng của ống<br /> GDT được cải tiến để quá trình đánh thủng xảy<br /> ra nhanh nhất. Ký hiệu mô hình của GDT và<br /> TVS Diode trong thư viện PSPICE được thể<br /> hiện như Hình 2.<br /> <br /> D18<br /> <br /> D17<br /> <br /> DIODE TVS BI-DIR<br /> <br /> DIODE TVS<br /> <br /> (a)<br /> <br /> b)<br /> <br /> (c)<br /> <br /> Hình 2. Ký hiệu mô hình GDT (a), TVS một<br /> hướng (b) và TVS hai hướng (c)<br /> 3. Thông số của thiết bị mô phỏng<br /> 3.1 Thiết bị GDT<br /> Phần tử GDT sử dụng mô phỏng được chọn<br /> của hãng Siemens mã hiệu Q69-X50 có thông<br /> số làm việc như Bảng 1.<br /> Bảng 1. Thông số làm việc của GDT<br /> VGLOW<br /> (V)<br /> <br /> IHOLD<br /> (μA)<br /> <br /> IGLOW<br /> (μA)<br /> <br /> VARC<br /> (V)<br /> <br /> VBR<br /> (V)<br /> <br /> 70<br /> <br /> 0.1<br /> <br /> 0.01<br /> <br /> 10<br /> <br /> 350<br /> <br /> Ls<br /> (nH)<br /> 1<br /> <br /> 3.2 Thiết bị TVS Diode<br /> <br /> 59<br /> <br /> Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> Phần tử TVS Diode sử dụng mô phỏng<br /> được chọn của hãng General Semiconductor<br /> mã hiệu 1N6303 với các thông số ở Bảng 2.<br /> <br /> IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI<br /> TÀI LIỆU CỦA NHÀ SẢN XUẤT<br /> <br /> Bảng 2. Thông số của TVS diode<br /> <br /> a/ Sơ đồ bảo vệ số 1 mô phỏng trên phần mềm<br /> PSPICE<br /> <br /> VBR<br /> (V)<br /> <br /> VC<br /> (V)<br /> <br /> IT<br /> (A)<br /> <br /> VRWM<br /> (V)<br /> <br /> IR<br /> (A)<br /> <br /> IPP<br /> (A)<br /> <br /> 180220<br /> <br /> 287<br /> <br /> 1.0<br /> <br /> 162<br /> <br /> 5.0<br /> <br /> 5.2<br /> <br /> 1. Mô phỏng và so sánh sơ đồ 1<br /> <br /> 4. Sơ đồ thực hiện mô phỏng<br /> 4.1 Sơ đồ bảo vệ số 1<br /> MẠCH<br /> PHÁT<br /> XUNG SÉT<br /> CHUẨN<br /> <br /> DT<br /> <br /> Đối tượng<br /> bảo vệ<br /> <br /> GDT<br /> Xung chuẩn được phát qua thiết bị GDT có<br /> một chân nối đất. Theo sơ đồ nguyên lý bảo vệ<br /> chống quá áp cho đường dây điện thoại, GDT<br /> thường được lắp đặt ở phần bảo vệ sơ cấp tức<br /> là phía nhà cung cấp dịch vụ hay tại tổng đài.<br /> Theo tiêu chuẩn của hiệp hội viễn thông quốc<br /> tế ITU-T K20 (International Telecommunication<br /> Union), các thiết bị cắt xung sét ở phía sơ cấp<br /> phải có khả năng cắt được xung sét lan truyền<br /> có biên độ đến 6KV mà không hề bị hư hỏng<br /> và vẫn hoạt động tốt sau khi kiểm tra.<br /> 4.2 Sơ đồ bảo vệ số 2<br /> Thiết bị bảo vệ thứ cấp sử dụng 2 phần tử<br /> TVS Diode dẫn hai hướng mắc đối ngẫu.<br /> <br /> MẠCH<br /> PHÁT<br /> XUNG<br /> SÉT<br /> CHUẨN<br /> <br /> Đối<br /> tượng<br /> bảo vệ<br /> <br /> 60<br /> <br /> R<br /> <br /> Mạch phát xung sét chuẩn tác giả sử dụng<br /> để thử nghiệm là mô hình máy phát xung sét<br /> thành lập trên phần mềm ORCAD-PSPICE<br /> <br /> Hình 4. Đáp ứng của mô hình GDT dưới tác<br /> dụng của xung sét chuẩn 10/700μs-5KV<br /> b/ So sánh với tài liệu của nhà sản xuất thiết bị<br /> chống sét ERICO<br /> <br /> R<br /> <br /> GDT<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ mạch phát xung sét chuẩn<br /> 10/700μs-5KV qua hai GDT<br /> <br /> Phần tử sử dụng của nhà sản xuất tương ứng<br /> có mã hiệu SLP10-K1F bên trong có một GDT<br /> ba chân, một chân nối đất. Xung sét thử nghiệm<br /> của nhà sản xuất cũng là xung chuẩn 10/700μs-<br /> <br /> TVS<br /> <br /> 5KV đựợc phát từ một máy phát xung cao áp.<br /> <br /> Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> <br /> Hình 5. Mạch tích hợp theo sơ đồ 1<br /> của phần tử SLP10-K1F<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> Hình 8. Đáp ứng của mạch dưới tác dụng<br /> của xung sét chuẩn 10/700μs-5KV<br /> b/ So sánh với tài liệu của nhà sản xuất thiết bị<br /> chống sét ERICO<br /> Hình 9 là mạch thử nghiệm của nhà sản xuất<br /> với phần tử HSP10-K230 được tích hợp theo<br /> sơ đồ bảo vệ số 2. Phần tử này được tích hợp<br /> bên trong gồm một GDT ba chân, hai điện trở<br /> giới hạn dòng và bốn TVS Diode mắc đối ngẫu.<br /> <br /> Hình 6. Đáp ứng của thiết bị chống sét<br /> do nhà sản xuất cung cấp<br /> 2. Mô phỏng và so sánh sơ đồ 2<br /> a/ Sơ đồ bảo vệ số 2 mô phỏng trên phần mềm<br /> PSPICE<br /> <br /> Hình 9. Mạch tích hợp theo sơ đồ 3<br /> của phần tử HSP10-K230<br /> <br /> Hình 7. Sơ đồ mạch phát xung sét chuẩn<br /> 10/700μs-5KV qua hai khâu bảo vệ<br /> <br /> Hình 10. Đáp ứng ngõ ra của sơ đồ bảo vệ<br /> số 2 theo xung chuẩn 10/700μs-5KV<br /> <br /> 61<br /> <br /> Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007<br /> V. NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br /> So sánh kết quả mô phỏng trên phần mềm<br /> PSPICE với hai mô hình GDT và TVS Diode<br /> vừa được xây dựng với tài liệu của nhà sản<br /> xuất thiết bị chống sét ERICO [3] cụ thể trong<br /> Phần IV, với cùng xung thử nghiệm là xung sét<br /> chuẩn 10/700μs biên độ 5kV nhận thấy:<br /> ¾<br /> <br /> Hình dạng sóng xung sét đạt được giống<br /> như tài liệu của hãng sản xuất<br /> <br /> ¾<br /> <br /> Giá trị biên độ đỉnh của mô hình đạt<br /> được xấp xỉ bằng với giá trị biên độ đỉnh<br /> trong tài liệu cung cấp.<br /> <br /> ¾<br /> <br /> Thời gian cắt của mô hình bằng với thời<br /> gian cắt của thiết bị<br /> <br /> ¾<br /> <br /> Độ rộng xung của mô hình bằng với độ<br /> rộng xung của thiết bị<br /> <br /> VI. KẾT LUẬN<br /> Như vậy đối chiếu với thông số kỹ thuật<br /> của các thiết bị chống sét lan truyền trên<br /> đường tín hiệu do công ty ERICO cung cấp,<br /> kết quả đạt được cho thấy tính đúng đắn của<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> biệt hai mô hình phần tử GDT và TVS Diode tác<br /> giả xây dựng hoàn toàn có thể đáp ứng được<br /> yêu cầu sử dụng để mô phỏng các phần tử<br /> GDT và TVS trong thực tế nhằm kiểm tra đáp<br /> ứng làm việc của nó.<br /> Việt Nam nằm trong vùng có mật độ sét<br /> tương đối dày, ảnh hưởng xấu do sét cảm ứng<br /> lan truyền trên đường dây điện thoại là rất lớn.<br /> Những hư hỏng về thiết bi tại các tổng đài hay<br /> thuê bao sẽ gây thiệt hại về kinh tế, xã hội vv...<br /> và ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp dịch vụ<br /> cho khách hàng do gián đoạn thông tin liên lạc.<br /> Hiện nay ta chưa sản xuất thiết bị chống sét lan<br /> truyền mà chủ yếu nhập từ các công ty nước<br /> ngoài. Đồng thời công nghệ chống sét thay đổi<br /> rất nhanh và những thông tin hạn chế từ phía<br /> nhà sản xuất khiến cho người sử dụng gặp<br /> nhiều lúng túng trong việc lựa chọn và thực<br /> hiện kiểm tra hiệu quả của nó một cách chủ<br /> động. Các mô hình này sẽ phát huy tác dụng rất<br /> cao trong lĩnh vực thiết kế chống sét cũng như<br /> trong việc thực hành môn học Bảo vệ chống sét<br /> đối với sinh viên chuyên ngành Điện.<br /> <br /> các mô hình máy phát xung 10/700μs và đặc<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1.<br /> <br /> 2.<br /> 3.<br /> 4.<br /> <br /> K. Borgeest, M.S. Sarto, J. L. ter Haseborg: “ Two simulation methods for the design of<br /> transient protection circuits in comparition with measurements”, International Zurich<br /> Symposium on Electromagnetic Compatibility, March 7-9, 1995<br /> K. Borgeest, J. L. ter Haseborg, Anders Larsson, Viktor Scuka:<br /> ”Numerial Simulation of gas Discharge Protectors-A review”, IEEE Transaction on Power<br /> Delivery, vol 14, No 2, April 1999<br /> Erico, Inc,”Telecommunication line protectors”,1999<br /> ABSTRACT<br /> <br /> This article presents simulation models of two equipments against overvoltage caused by transient<br /> lightning on the phone line, that are GDT (Gas Discharge Tube) and TVS Diode (Transient Voltage<br /> Suppressor Diode). They are coordinated in protection for two levels: primary and secondary.<br /> Especially, reaction responses of GDT and TVS Diode are simulated by PSPICE under lightning test<br /> waveform 10/700μs, 5KV amplitude to international telecommunication standard ITU-T K20.<br /> The result of simulation for the model creating and standard surge lightning circuits checked their<br /> rightness in comparison with document compatible supplied from producer, ERICO.<br /> <br /> 62<br /> <br />