Nghiên cứu và xây dựng mô hình máy phát xung sét siêu chuẩn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN THỊ HƯƠNG TRANG

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY
PHÁT XUNG SÉT TIÊU CHUẨN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN THỊ HƯƠNG TRANG

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY

PHÁT XUNG SÉT TIÊU CHUẨN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. QUYỀN HUY ÁNH

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS QUYỀN HUY ÁNH
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 30 tháng 01 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3

4
5

Họ và tên
PGS.TS Trương Việt Anh
TS. Nguyễn Hùng
PGS.TS. Lê Chí Kiên
TS. Đinh Hoàng Bách
TS. Đoàn Thị Bằng

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch

Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 20..…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ HƯƠNG TRANG

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1982

Nơi sinh: BÌNH ĐỊNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.

MSHV: 1441830025

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT XUNG SÉT TIÊU
CHUẨN
II- Nhiệm vụ và nội dung:
 Tìm hiểu các dạng xung sét tiêu chuẩn và các tiêu chuẩn liên quan.
 Xây dựng mô hình toán và mô hình vật lý của các dạng xung sét trong môi

trường Matlab Simulink.
 Tìm hiểu cách sử dụng máy phát xung sét AXOS8
 So sánh sai số dạng xung sét mô phỏng với dạng xung sét máy phát xung.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 20/8/2015
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/3/2016
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS QUYỀN HUY ÁNH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thị Hương Trang


ii

LỜI CÁM ƠN


Trước hết, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất của em
gửi đến thầy PGS. TS. Quyền Huy Ánh, Thầy đã tận tụy hướng dẫn em trong suốt
quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này.

Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Trường Đại học Công Nghệ TP.HCM
và Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã giảng dạy em trong suốt hai năm học
vừa qua.
Cuối c ng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người thân, bạn b , những
người anh em, đồng nghiệ đã động viên, ủng hộ và tạo điều kiện cho tôi cả về vật
chất và tinh thần trong suốt quá trình học tậ cũng như để hoàn thành luận văn
thạc sĩ.
Xin trân trọng cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 01 năm 2016

Nguyễn Thị Hương Trang

iii

TÓM TẮT
Trong mạng điện, quá điện áp và quá trình quá độ do s t là nguyên nhân chủ
yếu gây ra các sự cố làm hư hỏng lưới điện và các thiết bị điện. Việc nghiên cứu
thiết bị chống s t đóng vai tr rất quan trọng trong việc bảo vệ quá áp. Tuy nhiên,
Việt Nam việc nghiên cứu g p nhi u khó khăn do hạn chế v thiết bị thử nghiệm.
Do đó, việc xây dựng mô hình và mô phỏng các máy phát xung khác nhau là cần
thiết để h trợ việc nghiên cứu, đánh giá và lựa chọn các thiết bị bảo vệ quá áp sau
này.
Luận văn đi sâu vào việc xây dựng mô hình phát xung d ng 4/10µs, 8/20µs,

10/350µs và máy phát xung áp 1.2/50μs, 2/10μs, 9/720μs, 10/160μs, 10/560μs,
0.5/700μs và 10/700μs. Mô hình các máy phát xung s t với các dạng xung d ng và
áp khác nhau được tạo trong môi trường Matlab với giao diện dễ sử dụng. Độ chính
xác của các dạng xung s t được kiểm tra theo các yêu cầu qui định trong các tiêu
chuẩn IEC.
Với đ tài: Nghiên cứu và

y dựng m h nh máy phát ung

t tiêu

chuẩn Luận văn bao gồm các nội dung chính sau đây:

o Chương M đầu.
o Chương 1: T ng quan
o Chương 2: Cơ s lý thuyết
o Chương 3: Mô hình các máy phát xung s t tiêu chuẩn
o Chương 4: Tìm hiểu hệ thống máy phát xung sét AXOS 8.
o Chương 5: So sánh dạng xung mô phỏng và dạng xung từ máy phát xung
thực tế.
o Chương 6: Kết luận và hướng phát triển luận văn.


iv

ABSTRACT
In the electrical network, overvoltage and transients caused by lightning is the main
reason causing the incident to damage the power grid and electrical equipment. The study
of lightning protection equipment plays a very important role in the protection of
overvoltage. However, in Vietnam the study were difficult due to limited testing facilities.
Therefore, the modeling and simulation of various pulse generators are needed to support
the research, evaluation and selection of surge protection devices later.
This thesis research building models of impulse generators with various wave forms,
such as: 4/10μs, 8/20μs, 10/350μs current wave forms and 1.2/50μs, 2/10μs, 9/720μs,
10/160μs, 10/560μs, 0.5/700μs and 10/700μs voltage wave forms. These models being
built in Matlab environment with easy user’s interface. The accuracy of these models are
checked according to the requirements specified in the IEC standard.

The thesis “Research and modeling the standard lightning impulse generators” includes
the following contents:


Chapter Introduction.



Chapter 1: Overview



Chapter 2: Theoretical Foundations



Chapter 3: Models of the standard lightning impulse generators



Chapter 4: Understanding lightning impulse generator system Axos 8.



Chapter 5: Comparison of the wave forms between the impulse generator models
and the impulse generator system Axos 8.



Chapter 6: Conclusions and development of thesis.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i

LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. ii
TÓM TẮT.................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... ix
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ...........................................................................1
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................5
2.1.Xung điện áp không chu kỳ ..................................................................................5
2.1.1. Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng xung điện áp không chu kỳ .............5
2.1.1.1.

Thời gian đầu sóng T1 ......................................................................5

2.1.1.2.

Điểm gốc giả định O1 .......................................................................5

2.1.1.3.

Thời gian toàn sóng T2 .....................................................................5

2.1.1.4.

Dung sai ...........................................................................................5

2.1.2. Các dạng xung điện áp chuẩn .....................................................................6
2.1.3.

2.2.

Các tiêu chuẩn liên quan .........................................................................8

2.1.3.1.

Tiêu chuẩn ITU-T K.20 VÀ K.21 ....................................................8

2.1.3.2.

Tiêu chuẩn TIA-968-A, TIA-968-B ................................................9

Xung d ng điện không chu kỳ ....................................................................... 11

2.2.1. Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng xung d ng điện không chu kỳ ............ 11
2.2.1.1.

Thời gian đầu sóng T1 ............................................................................. 11

2.2.1.2.

Điểm gốc giả định O1 .............................................................................. 11

2.2.1.3.

Thời gian toàn sóng T2 ............................................................................ 11

2.2.1.4.

Dung sai................................................................................................... 11

2.2.2 Các dạng xung d ng điện chuẩn .................................................................... 11

2.2.3. Các tiêu chuẩn liên quan ................................................................................ 14
2.2.3.1.
2.2.3.
2.3.

Tiêu chuẩn IEC 61643-1 ................................................................14

Tiêu chuẩn ANSI/IEEE C62.41 ............................................................21

Xung h n hợp dòng - áp (8/20 µs và 1,2/50 µs) ............................................ 23

vi
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC MÁY PHÁT XUNG XÉT TIÊU
CHUẨN.................................................................................................................... 24
Công cụ MATLAB – SIMULINK ................................................................. 24

3.1.

3.1.1.

MATLAB..............................................................................................24

3.1.2.

SIMULINK ...........................................................................................24

3.1.2.1.

Tín hiệu của SIMULINK ..................................................................26

3.1.2.2.

Mô hình SIMULINK .....................................................................26

3.1.2.3.

Mô phỏng mô hình SIMULINK ....................................................27

3.1.2.4.

Hệ thống con trong mô hình SIMULINK (Subsystem) .................28

3.1.2.5.

Một

số

khối

chức

năng

của

Simulink

và

Toolbox

SimPowerSystems...........................................................................................29
3.2.

Mô hình toán của các dạng xung tiêu chuẩn ...............................................33

3.2.1.

Phương trình toán của các dạng xung tiêu chuẩn .................................33

3.2.2.

Xây dựng mô hình toán các dạng xung tiêu chuẩn ...............................36

3.3.

Mô hình vật lý của các dạng xung tiêu chuẩn .............................................46

3.3.1.

Mô hình máy phát xung dòng ...............................................................46

3.3.2.

Mô hình máy phát xung áp ...................................................................50

3.3.3.

Mô phỏng các dạng xung ......................................................................54

CHƯƠNG 4 TÌM HIỂU HỆ THỐNG MÁY PHÁT XUNG SÉT AXOS 8 ............. 62
4.1.

Thông số kỹ thuật của máy phát xung AXOS8 ........................................62

4.2.

Vận hành chung........................................................................................65

4.2.1.

Các phím chức năng phía trước AXOS8 ...............................................65

CHƯƠNG 5 SO SÁNH DẠNG XUNG TIÊU CHUẨN MÔ PHỎNG VÀ DẠNG
XUNG CỦA MÁY PHÁT AXOS8 .......................................................................... 75
5.1.

Xung phát ra từ thiết bị AXOS8 ...............................................................75

5.2.

So sánh độ chính xác của dạng xung tiêu chuẩn mô phỏng và dạng xung

của máy phát AXOS8 .........................................................................................79
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN .................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 82

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các thử nghiệm theo ITU-T K.20. .............................................................9
Bảng 2.2. Các thử nghiệm theo ITU-T K.21. ............................................................9
Bảng 2.3. Các dạng xung thử theo TIA-968-A, TIA-968-B. ................................... 10
Bảng 2.4. Các thử nghiệm cấp 1, 2 và 3 .................................................................. 16
Bảng 2.5. Giá trị tiêu chuẩn của dòng xung Iimp. .................................................... 16
Bảng 2.6. Các thông số minh họa cho thử nghiệm. ................................................. 17
Bảng 2.7. Dung sai của các thông số trong thử nghiệm xung kết hợp cấp 3. .......... 19
Bảng 2.8. Tóm tắt các tiêu chuẩn áp dụng và các dạng xung thử nghiệm b sung cho
mục A, B, C (trường hợp 1) và các thông số cho trường hợp 2............................... 22

Bảng 2.9.

100 kHz Ring wave – Các giá trị dự kiến cho xung áp và dòng trong

mục A và B............................................................................................................... 22
Bảng 2.10. Xung h n hợp – Các giá trị dự kiến cho xung áp và dòng trong mục A
và B. ........................................................................................................................ 22
Bảng 2.11 Các thử nghiệm SPD trong mục C ....................................................... 23
Bảng 3.1 Thông số các hệ số.................................................................................... 35
Bảng 3.2 Sai số của các dạng sóng xung d ng điện. .............................................. 45
Bảng 3.3 Sai số của các dạng sóng xung điện áp. ................................................... 45
Bảng 3.4 T ng hợp thông số các phần tử trong mạch phát xung dòng. .................. 49

Bảng 3.5. T ng hợp thông số các phần tử trong mạch phát xung áp ....................... 51
Bảng 3.6. Sai số của dạng xung d ng điện. ............................................................. 60
Bảng 3.7. Sai số của các dạng xung điện áp. ........................................................... 60
Bảng 4.1. Thông số chung........................................................................................ 62
Bảng 4.2 Thông số các dạng xung tiêu chuẩn không chu kỳ ................................... 62
Bảng 4.3. Thông số Ring Wave ............................................................................... 63
Bảng 4.4. Thông số dạng xung viễn thông .............................................................. 63
Bảng 4.5. Thông số Brust ......................................................................................... 64
Bảng 4.6. Thông số giảm áp & ngắt áp .................................................................... 64
Bảng 4.7. Chức năng phía trước AXOS8 ................................................................. 66
Bảng 4.8. Chức năng phía sau AXOS8 .................................................................... 67
Bảng 4.9 Chức năng c ng AUX (vị trí 7) ................................................................ 68

viii
Bảng 4.10 Chức năng của Setup .............................................................................. 70
Bảng 4.11 Chức năng của Properties (Surge) .......................................................... 73
Bảng 4.12. Chức năng của Properties (Telecom Wave) .......................................... 74
Bảng 5.1. Sai số của xung dòng 8/20 µs 1kA .......................................................... 76
Bảng 5.2. Sai số của xung áp 1,2/50 µs, 1kV .......................................................... 77
Bảng 5.3. Sai số của xung áp 10/700 µs (Telecom wave) ....................................... 79
Bảng 5.4. So sánh độ chính xác của dạng xung tiêu chuẩn mô phỏng và dạng xung
của máy phát AXOS8 ................................................................................................79

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Dạng xung điện áp tiêu chuẩn .....................................................................5
Hình 2.2: Sơ đồ mạch phát xung 10/700µs .................................................................8
Hình 2.3: Dạng xung d ng điện tiêu chuẩn ............................................................. 11
Hình 2.4: S t đánh vào đường dây trên không

vị trí cách xa công trình .............. 12

Hình 2.5: S t đánh gián tiếp cảm ứng vào công trình .............................................. 13

Hình 2.6: S t đánh trực tiếp vào kim thu s t trên đỉnh công trình ........................... 14
Hình 2.7: Sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không lân cận công trình ............ 14
Hình 3.1. Cửa s thư viện SIMULINK. ................................................................... 25
Hình 3.2. Cửa s mô hình Simulink. ........................................................................ 26
Hình 3.3. Hộp thoại Configuration Parameters........................................................ 27
Hình 3.4. Hộp thoại Mask Editor. ............................................................................ 29
Hình 3.5. Hộp thoại Block Parameters của khối Series RLC Branch...................... 32
Hình 3.6. Dạng xung gồm t ng 2 thành phần. ......................................................... 33
Hình 3.7. Đường cong xác định tỉ số b/a. ................................................................ 34
Hình 3.8. Đường cong xác định tỉ số at1. ................................................................. 34
Hình 3.9. Đường cong xác định tỉ số I1/I. ................................................................ 35
Hình 3.10. Mô hình toán của xung d ng điện. ......................................................... 36

Hình 3.11. Mô hình toán của xung điện áp. ............................................................. 36
Hình 3.12. Nguồn xung d ng điện tiêu chuẩn. ........................................................ 37
Hình 3.13. Nguồn xung điện áp tiêu chuẩn............................................................. 37
Hình 3.14. Khai báo thông số tại tab Parameters. .................................................... 37
Hình 3.15. Các lệnh truy xuất các thông số tại tab Initialization. ............................ 38
Hình 3.16. Mô hình toán xung d ng điện và điện áp không chu kỳ. ....................... 38
Hình 3.17. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung dòng. ....................................................... 39
Hình 3.18. Sơ đồ mô phỏng nguồn xung áp. ........................................................... 39
Hình 3.19. Thông số mô hình nguồn xung d ng điện.............................................. 39
Hình 3.20. Thông số mô hình nguồn xung điện áp. ................................................. 40
Hình 3.21. Xung d ng điện 5kA - 4/10µs. ............................................................... 40
Hình 3.22. Xung d ng điện 20kA - 8/20 µs. ............................................................ 41

Hình 3.23. Xung d ng điện 20kA -10/350 µs. ......................................................... 41


x
Hình 3.24. Xung điện áp 6kV - 1,2/50 µs. ............................................................... 42
Hình 3.25. Xung điện áp 5kV-2/10µs. ..................................................................... 42
Hình 3.26. Xung điện áp 1.5kV - 9/720µs. .............................................................. 43
Hình 3.27. Xung điện áp 3kV-10/160 µs. ................................................................ 43
Hình 3.28. Xung điện áp 800V-10/560µs. ............................................................... 44
Hình 3.29. Xung điện áp 5kV - 10/700µs ................................................................ 44
Hình 3.30. Mô hình mạch phát xung dòng. ............................................................. 46
Hình 3.31. Mạch phát xung dòng 4/10 µs ................................................................ 50

Hình 3.32. Mạch phát xung dòng 8/20 µs ................................................................ 50
Hình 3.33. Mô hình máy phát xung dòng 4/10 µs và 8/20 µs ............................... 50
Hình 3.34. Mô hình mạch phát xung áp ................................................................... 51
Hình 3.35. Mạch phát xung áp 1,2/50µs. ................................................................. 51
Hình 3.36. Mạch phát xung áp 0,5/700µs. ............................................................... 52
Hình 3.37. Mạch phát xung áp 10/700µs. ................................................................ 52
Hình 3.218. Mạch phát xung áp 9/720µs. ................................................................ 52
Hình 3.39. Mạch phát xung áp 2/10µs. .................................................................... 53
Hình 3.40. Mạch phát xung áp 10/560µs. ................................................................ 53
Hình 3.41. Mạch phát xung áp 10/160µs. ................................................................ 53
Hình 3.42. Mô hình máy phát xung điện áp............................................................. 54
Hình 3.43. Sơ đồ mô phỏng mô hình xung d ng điện 8/20µs. ................................ 54

Hình 3.44. Sơ đồ mô phỏng mô hình xung điện áp. ................................................ 54
Hình 3.45. Hộp thoại thông số của xung dòng và xung áp. ..................................... 55
Hình 3.46. Xung d ng điện 4/10µs – 5kA. .............................................................. 55
Hình 3.47. Xung d ng điện 20kA -8/20µs ............................................................... 56
Hình 3.48. Xung điện áp 6kV-1,2/50µs ................................................................... 56
Hình 3.49. Xung điện áp 5kV -2/10µs ..................................................................... 57
Hình 3.50. Xung điện áp 1.5kV-9/720µs. ................................................................ 57
Hình 3.51. Xung điện áp 3kV-10/160µs. ................................................................. 58
Hình 3.52. Xung điện áp 800V-10/560µs ................................................................ 58
Hình 3.53. Xung điện áp 5kV-0,5/700µs. ................................................................ 59
Hình 3.54. Xung điện áp 5kV–10/700µs. ................................................................ 59

xi
Hình 4.1: Giao diện phía trước AXOS8 ................................................................... 65
Hình 4.2. Giao diện phía sau AXOS8....................................................................... 67
Hình 4.3. Giao diện menu chính của thiết bị AXOS8 .............................................. 69
Hình 4.4. Menu Setup .............................................................................................. 70
Hình 4.5. Menu Surge .............................................................................................. 71
Hình 4.6. Menu Transition ....................................................................................... 72
Hình 4.7: Menu Properties (Surge) .......................................................................... 72
Hình 4.8. Bộ Telecom Wave (TW) 8 ....................................................................... 73
Hình 4.9. Menu Telecom Wave ............................................................................... 74
Hình 4.10. Menu Properties (Telecom Wave) ......................................................... 74

Hình 5.1. Dạng xung dòng 8/20 µs - 1kA ............................................................... 75
Hình 5.2. Dạng xung áp 1,2/50 µs 1kV (phóng to đầu sóng) .................................. 76
Hình 5.3.Dạng xung áp h mạch 1,2/50 µs 1kV (toàn sóng) .................................. 77
Hình 5.4. Dạng xung áp 10/700 µs 1kV (phóng to đầu sóng) ................................. 78
Hình 5.5. Dạng xung áp 10/700 µs 1kV (toàn sóng) ............................................... 78


1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nhi u nghiên cứu đã được thực hiện để xác định nguyên nhân của xung quá áp

trong mạng phân phối và mạng tín hiệu, và kết quả có thể cho là do một trong
những nguyên nhân sau:
 S t đánh trực tiếp vào đường cấp nguồn. đường tín hiệu.
 Sét cảm ứng trên đường cấp nguồn. đường tín hiệu.
 Đóng, cắt tải tromg mạng phân phối.
 Sự lan truy n xung thông qua các máy biến áp.
 Sự thay đ i tải trong hệ thống gần k .
 Sự dao động và các xung công suất.
Mạng phân điện và mạng tín hiệu gồm một mạng lớn các đường dây kết nối với
nhau và thường bị nhiễu b i các quá độ bắt nguồn từ một trong các lý do nêu trên,
nhưng chủ yếu là do sét.
Quá độ do s t có thể tạo ra quá áp rất cao trong hệ thống. Các tia s t này thường

đánh vào các dây truy n tải sơ cấp. Nhưng có thể truy n qua các dây thứ cấp thông
qua các điện cảm hay tụ điện mắc trong mạch. Đôi khi các tia s t đánh trực tiếp vào
hệ thống bảo vệ chống s t hay các cấu trúc kim loại của các t a nhà cũng gây nên
hiện tượng quá áp trên hệ thống điện trong t a nhà do việc lan truy n của xung s t.
Thậm chí khi tia s t không đánh trúng đường dây cũng có thể cảm ứng một điện áp
đáng kể trên đường dây sơ cấp, các chống s t van hoạt động và sinh ra quá độ.
Quá độ do đóng, cắt điện thì ít nguy hiểm hơn nhưng xảy ra thường xuyên hơn.
Việc sử dụng các thyristor trong mạch đóng cắt hay đi u khiển công suất cũng có
thể tạo ra quá độ như vậy.
T chức IEC, IEEE và ANSI đã thiết lập một tài liệu cung cấp các nguyên tắc
chủ yếu v các dạng xung d ng và xung áp có thể bắt g p trong hệ thống điện xoay
chi u.

CCITT, TIA và ITU đã thiết lập các tải liệu liên quan đến dạng xung d ng và
xung áp thường g p trong mạng Viễn thông.
Các dạng xung d ng và xung áp tiêu chuẩn được qui định theo các t chức nêu
trên cần được tuân thủ trong quá trình đánh giá quá áp do s t và các nguyên nhân


2
khác và cần sử dụng để đánh giá hiệu quả bảo vệ thiết bị triệt xung quá áp trong quá
trình thử nghiệm ứng với các xung tiêu chuẩn.
Tuy nhiên, việc đầu tư các ph ng thí nghiệm với đầy đủ trang thiết bị theo yêu
cầu của các tiêu chuẩn liên quan là đi u khó khăn v vốn và chuyên gia lãnh vực.
Ngày nay, kỹ thuật mô hình hóa và mô phỏng có thể trợ giúp thực hiện nghiên

cứu thông qua việc xây dựng mô hình và mô phỏng với độ chính xác chấp nhận
được với chi phí thấp và tiết kiệm thời gian.
Liên quan đến việc nghiên cứu quá độ do s t, gần đây đã có một số đ tài được
thực hiện như sau:
 Nghiên cứu và lập mô hình cải tiến thiết bị triệt xung hạ áp, Lê Quang
Trung, LV ThS 2010, ĐHSPKT Tp HCM.
 Các giải pháp nâng cao hiệu quả bảo vệ chống s t trong mạng hạ áp, Nguyễn
Văn Lâm, LVThS 2011, ĐHBK Tp HCM.
 Mô hình biến tr oxit kẽm cho các nghiên cứu v sự phối hợp cách điện,
Nguyễn Thị Lệ Hải, LV ThS 2013, ĐHSPKT Tp HCM.
 Nghiên cứu giải pháp chống s t trong mạng viễn thông, Bùi Kim Cường, LV
ThS 2013, ĐHSPKT Tp HCM.

 Nghiên cứu giải pháp chống s t cho thiết bị điện và điện tử bên trong t a
nhà, Đ ng Thị Hà Thanh, LV ThS 2014, ĐHSPKT Tp HCM.
 Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống s t lan truy n trên mạng truy n
thông, Phạm Thị Hằng, LV ThS 2014, ĐHSPKT Tp HCM.
 Bảo vệ chống xung quá độ trong mạng hạ áp, Dương Anh Hào, LV ThS
2014, ĐHSPKT Tp HCM.
Các luận văn nêu trên tập trung xây dựng mô hình các thiết bị chống lan truy n
trên đường nguồn hạ áp và trên đường tín hiệu, đồng thời đ xuất các giải pháp
chống s t lan truy n phù hợp.
Tuy nhiên, c n thiếu rất nhi u dạng xung áp và xung d ng khác, đơn cử như mô
hình phát xung d ng 4/10µs, 8/20µs, 10/350µs và máy phát xung áp 1.2/50μs,
2/10μs, 9/720μs, 10/160μs, 10/560μs, 0.5/700μs và 10/700μs.

Chính vậy mà việc xây dựng thư viện b xung tương đối đầy đủ các loại máy phát
xung áp và xung d ng tiêu chuẩn trong môi trường Matlab với độ chính xác chấp


3
nhận được là rất cần thiết để phục vụ các bài toán nghiên cứu quá áp và bảo vệ quá
áp trong mạng phân phối điện và mạng tín hiệu sau này
II. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu và xây dựng, mô phỏng, thực nghiệm mô hình máy phát xung áp và
xung dòng tiêu chuẩn trong môi trường Matlab.
III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu là các loại máy phát xung áp và xung d ng tiêu chuẩn

được sử dụng trong bài toán quá điện áp do s t lan truy n trên đường nguồn, đường
tín hiệu và các quá áp khác do đóng cắt đường dây, tải,…
Các vấn đ nghiên cứu cụ thể trong luận văn bao gồm:
 Nghiên cứu các dạng xung áp và xung d ng được đ cập trong các tiêu
chuẩn liên quan.
 Xây dựng mô hình toán và mô hình vật lý các máy phát xung áp và xung
d ng tiêu chuẩn.
 Nghiên cứu và sử dụng hệ thống máy phát xung AXOS8 tại ph ng thí
nghiệm Hệ thống điện và Năng lượng tái tạo tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp
HCM.
 Đánh giá độ chính xác của các mô hình máy phát xung áp và xung d ng
tiêu chuẩn được xây dựng.

IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu được áp dụng để thực hiện luận văn này là phân tích lý
thuyết, mô phỏng trên máy tính và thực nghiệm.


Ph n tích lý thuyết: Là nghiên cứu các cơ s lý thuyết, các tiêu chuẩn liên

quan đến mô hình máy phát xung d ng và xung áp tiêu chuẩn.


M phỏng trên máy tính: Sau khi đã xây dựng xong các mô hình xung

d ng và xung áp dưới dạng mô tả toán (các phần tử và hàm toán) hay mô hình vật lý
(mạch RLC) trong môi trường Matlab, tiến hành mô phỏng để đánh giá độ chính
xác của các mô hình xung d ng và xung áp s t được xây dựng.


Thực nghiệm: So sánh một số dạng xung mô phỏng và dạng xung phát b i

hệ thống máy phát xung AXOS8 tại ph ng thí nghiệm để kiểm chứng độ chính xác
của các mô hình toán học và mô hình vật lý được xây dựng


4

IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU
1. Ý nghĩa khoa học
Luận văn nghiên cứu và xây dựng các máy phát xung dòng và xung áp tiêu chuẩn
một cách đầy đủ và b xung vào thư viện Simulink của phần m m Matlab. Đây là
hướng nghiên cứu mới ít được quan tâm tại Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu
mang tính khoa học và đóng góp một phần không nhỏ trong chu i bài toán nghiên
cứu quá áp do xung áp và xung dòng trong mạng phân phối và mạng viễn thông,
trên cơ s đó đ ra giải pháp bảo vệ hiệu quả và lựa chọn thiết bị triệt xung phù hợp.
2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp mô hình các máy phát xung d ng và xung áp s t
hữu ích cho các nhà nghiên cứu, các giảng viên, sinh viên các trường đại học trong

việc nghiên cứu các đáp ứng của thiết bị chống quá áp dưới tác động của xung áp và
xung d ng trong đi u kiện thiếu ph ng thí nghiệm hiện nay.
Luận văn cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho các sinh viên Ngành Công nghệ
Kỹ thuật điện-Điện tử và học viên cao học Ngành Kỹ thuật điện.


5

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Xung điện áp không chu kỳ
2.1.1. Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng ung điện áp không chu kỳ
2.1.1.1.

Thời gian đầu óng T1

Thời gian đầu sóng T1 của một xung điện áp là một tham số giả định được
xác định bằng 1,67 lần khoảng thời gian T giữa các thời điểm xung là 30

và 90

của giá trị đỉnh.
(2.1)
2.1.1.2.

Điểm gốc giả định O1

Điểm gốc giả định O1 là giao điểm của đường thẳng được vẽ qua các điểm
chuẩn 30
2.1.1.3.

và 90

trên đầu sóng với trục thời gian.

Thời gian toàn óng T2

Thời gian toàn sóng T2 của một xung điện áp là một tham số giả định được
xác định bằng khoảng thời gian giữa điểm gốc giả định O1 và thời điểm khi điện áp
đã giảm tới nữa giá trị đỉnh.
2.1.1.4.

Dung sai

Giá trị đỉnh: ± 3%
Thời gian đầu sóng T1: ± 30%
Thời gian toàn sóng T2: ± 20%

Hình 2.1: Dạng xung điện áp tiêu chuẩn

6
2.1.2. Các dạng ung điện áp chuẩn
Là các xung điện áp được tiêu chuẩn hóa tr thành các xung tiêu chuẩn và
thường được mô tả dưới dạng α/β µs trong đó α là thời gian đầu sóng T1(µs) c n β
là thời gian toàn sóng T2 (µs):
 Đối với xung 0,5/700µs thì T1 = 0,5µs và T2 = 700µs
 Đối với xung 1,2/50µs thì T1 = 1,2µs và T2 = 50µs
 Đối với xung 2/10µs thì T1 = 2µs và T2 = 10µs
 Đối với xung 9/720µs thì T1 = 9µs và T2 = 720µs
 Đối với xung 10/160µs thì T1 = 10µs và T2 = 160µs

 Đối với xung 10/560µs thì T1 = 10µs và T2 = 560µs
 Đối với xung 10/700µs thì T1 = 10µs và T2 = 700µs
 Dạng ung .

µs

Xung 0.5/700µs là dạng xung đóng cắt dùng để thử nghiệm khuếch đại tín hiệu
trên các trạm và đường dây điện thoại, điện tín. Xung này được qui định theo tiêu
chuẩn CNET FRANCE và ITU-T.
 Dạng ung 1,2

µs

Quá áp được tạo ra do s t đánh được đ c trưng b i một xung điện áp 1,2/50µs.
Đây là loại xung điện áp được sử dụng để thử nghiệm khả năng chịu đựng của các
thiết bị như động cơ điện, máy biến áp …đối với quá điện áp khí quyển.
Xung 1,2/50µs được quy định trong tiêu chuẩn IEC 60-2, ANSI/IEEE Std 41978 và ANSI C62.1-1984. Thời gian đầu sóng được xác định bằng 1.67 lần khoảng
thời gian giữa các thời điểm xung là 30

và 90

qui định dung sai của thời gian đầu sóng là

30

của giá trị đỉnh. Các tiêu chuẩn
và dung sai của thời gian toàn

sóng là 20 .
Xung điện áp 1,2/50µs được xác định theo công thức:
(2.2)
Trong đó:

= 0,4074µs;

= 68,22µs;

A = 1,037; t là thời gian (t ≥ 0);
Vp là giá trị đỉnh của V(t).


7
 Dạng ung 2 1 µs
Xung 2/10µs là dạng xung cảm ứng trên đường viễn thông. Được qui định theo
tiêu chuẩn FCC part 68 để thử nghiệm giao diện nguồn. Điện áp đỉnh là 2.5kV và
d ng điện đỉnh thấp nhất phải là 1kA. Ngoài ra c n được qui định theo tiêu chuẩn
GR 1089.
 Các dạng ung 9 2 µ , 1 16 µ và 10/560µs

Được sử dụng để mô phỏng các xung s t lan truy n, cảm ứng đường dây viễn
thông dài. Những xung được sử dụng để thử nghiệm giao diện viễn thông trong trao
đ i và sử dụng cơ s .
Xung điện áp 10/560µs metallic có thời gian đầu sóng là 10µs và thời gian toàn
sóng là 560µs.Thuật ngữ “metallic” chỉ ra rằng xung được áp dụng giữa hai dây dẫn
không nối đất, được gọi là chế độ vi sai trong điện tử. Điện áp đỉnh là 800V và d ng
điện đỉnh nhỏ nhất phải là 100A.
Xung điện áp 10/160µs longitudial có thời gian đầu sóng là 10µs và thời gian
toàn sóng là 160µs. Thuật ngữ “longitudinal” chỉ ra rằng xung điện áp được áp dụng
giữa đất và tất cả các dây không nối đất, được gọi là chế độ cách chung trong điện
tử. Điện áp đỉnh là 1.5kV và d ng điện đỉnh nhỏ nhất phải là 200A. Cả hai dạng
xung 10/160µs và 10/560µs được quy định trong tiêu chuẩn TIA-968-A.

Dạng xung điện áp 9/720µs được sử dụng dụng cho cả hai dạng xung metallic và
xung longitudinal. Được quy định trong tiêu chuẩn TIA-968-B.
 Dạng ung 1

µs

Dạng xung 10/700µs được qui định b i tiêu chuẩn CCITT K17 (CCITT
chính là ti n thân của ITU-T hiện nay) được dùng để thử nghiệm bảo vệ quá áp cho
bộ khuếch đại l p. Dạng xung này được tạo ra từ mạch phát xung như Hình 2.7. Từ
giá trị của các thành phần trong mạch phát xung như Hình 2.7 thì dạng xung tạo ra
có thời gian đầu sóng khoảng 9,2µs tương ứng với 1,67 lần khoảng thời gian giữa
các thời điểm xung là 30

và 90

của giá trị đỉnh và thời gian toàn sóng là khoảng

722µs. Tiêu chuẩn CCITT K17 thì không đ cập đến dung sai của loại xung này
nhưng sai số 3
hợp lý.

của thời gian đầu sóng và 8

của thời gian toàn sóng được xem là

8

Hình 2.2: Sơ đồ mạch phát xung 10/700µs
Xung điện áp 10/700µs được xác định b i công thức :
(2.3)
Trong đó:

= 4,919µs;

= 827,6µs;

A = 1,163; t là thời gian (t ≥ 0);
Vp là giá trị đỉnh của V(t).
2.1.3. Các tiêu chuẩn liên quan
2.1.3.1.

Tiêu chuẩn ITU-T K.20 VÀ K.21

Các tiêu chuẩn của hiệp hội viễn thông quốc tế ITU (International
Telecommunication Union) được sử dụng

Châu Âu và vùng Viễn Đông và ITU-T

là nhánh các tiêu chuẩn v viễn thông. Các tiêu chuẩn kiểm tra gồm có:
 Các xung s t do s t đánh vào ho c gần đường cáp và thiết bị.
 Cảm ứng trong thời gian ngắn của điện áp từ đường dây AC.
 Tiếp xúc trực tiếp của đường dây AC và đường dây viễn thông.
Có 2 tiêu chuẩn ITU-T được áp dụng cho hầu hết các thiết bị viễn th ng là:
 ITU-T K.20 là tiêu chuẩn áp dụng cho các thiết bị nối với t ng đài.
 ITU-T K.21 bao gồm các yêu cầu cho thiết bị viễn thông được lắp đ t

phía

khách hàng.

Các tiêu chí của tiêu chuẩn ITU-T:
 Tiêu chí A (Criterion A) yêu cầu rằng thiết bị sẽ chịu kiểm tra mà không bị
hư hỏng và có thể hoạt động tốt sau khi kiểm tra. Không yêu cầu hoạt động
đúng khi đang kiểm tra.


9
 Tiêu chí B (Criterion B) yêu cầu rằng không xảy ra cháy khi kiểm tra và
không gây hư hỏng bất cứ phần nào của thiết bị.
Bảng 2.1. Các thử nghiệm theo ITU-T K.20.
Xung áp (10 x 700µs )

Xung dòng

Bảo vệ sơ

Theo tiêu

cấp

chí

±5

Không**

A

100/100

±5

Có

A

1.5kV

37.5/37.5

±5

Không

A

4kV÷6kV

100/150

±5

Không

A

Một c ng (port)

Nhi u c ng

(5 x 310µs)

Thử 1 và 2 dây

Thử 1 và 2 dây

(A)

1kV÷1.5kV

-

25/37.5

4kV

-

-

L p*

* giữa các lần l p nghỉ 1 phút, ** không thực hiện nếu có bảo vệ sơ cấp

Bảng 2.2. Các thử nghiệm theo ITU-T K.21.
Xung áp (10 x 700µs ) (kV)
Một c ng (port)

Xung dòng
Một c ng

(5 x 310µs)

(port)

(A)

L p*

Bảo vệ sơ

Chấp nhận

cấp

tiêu chí

Thử trên 2

Thử trên 1

dây

dây

1÷6

-

-

37.5/100

±5

Không**

A***

4÷6

-

-

100/100

±5

Có

A

-

1,5

1,5

37.5/37.5

±5

Không

A***

-

4÷6

4÷6

100/150

±5

Không

A

*** không áp dụng nếu có bảo vệ sơ cấp

2.1.3.2.

Tiêu chuẩn TIA-968-A, TIA-968-B

Tiêu chuẩn TIA-968-A (dạng A), TIA-968-B (dạng B sử dụng cho tất cả thiết bị
đấu nối vào mạng điện thoại công cộng PSTN (Public Switched Telephone
Network). Mục đích của TIA-968-A, TIA-968-B là cung cấp các tiêu chuẩn đồng

nhất để bảo vệ mạng điện thoại từ bất cứ các hư hỏng hay nhiễu gây ra do kết nối
của các thiết bị (terminal equipment). Tiêu chuẩn này cũng bao gồm các tác động
của môi trường như dao động, nhiệt độ, độ ẩm, điện áp rơi, điện áp và d ng điện
nguy hiểm cũng như các kiểm tra cho tín hiệu.
 Các kiểm tra quá áp
Tiêu chuẩn này yêu cầu thiết bị phải thực hiện kiểm tra quá áp gồm xung áp trên
một dây (metallic) dạng A và B, và xung áp trên 2 dây (longitudinal) dạng A và B.


10
Đối với xung thử loại A thì thiết bị EUT có thể hoạt động hay ngừng hoạt động. Đối
với xung thử dạng B thì mạch bảo vệ thiết bị không được ph p hư hỏng. EUT phải

được thiết kế để chịu đựng được các xung loại B và tiếp tục hoạt động tốt

tất cả

các trạng thái làm việc.
 Xung áp giữa 2 dây Tip và Ring (Metallic)
Các xung áp trên giữa 2 dây Tip và Ring dạng A và B được đ t lên cả 2 cực tính
dương và âm trên 2 dây Tip và Ring trong tất cả các trạng thái hoạt động (đang chờ
máy, hết chờ máy, chuông đang kêu …). Xung dạng A là 800V, 100A xung đỉnh,
trong khi đó xung dạng B là 1000V, 25A xung đỉnh. Bảng 2.11 liệt kê các dạng
xung này:
Bảng 2.3. Các dạng xung thử theo TIA-968-A, TIA-968-B.

Dạng kiểm tra

Metallic
dạng A
Longitudinal
dạng A
Metallic
dạng B
Longitudinal
dạng B

Dạng sóng

Điện áp

Dạng sóng

D ng đỉnh

đỉnh (VPK)

xung áp (ms)

(A)

 800

10 x 560

100

10 x 560

 1500

10 x160

200

10 x160

 1000

9 x720

25

5 x320

 1500

9 x 720

37.5

5 x 320

xung dòng
(ms)

Số lần
l p
1

1

1

1

 Xung áp trên 2 dây Tip, Ring với đất (longitudinal)
Các xung áp trên 2 dây loại A và B được đ t lên cả 2 cực tính dương và âm

trong tất cả các trạng thái hoạt động. Xung dạng A là 1500V, 200A xung đỉnh đ t
lên EUT trên cả 2 dây Tip và Ring. Dạng xung loại B là một xung 1500V, 37.5A
xung đỉnh được đ t lên dây Tip với đất và dây Ring với đất. Các xung thử loại B chỉ
bảo đảm mức bảo vệ tối thiểu, để thiết bị hoạt động tin cậy trong một thời gian dài
thì cần thử xung dạng A.