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

Trường Đại học Nha Trang

VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI

MÔ PHỎNG HIỆU QUẢ CỦA CÁC THIẾT BỊ PHỐI HỢP BẢO VỆ
TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI
ThS. Nguyễn Thị Ngọc Soạn
Khoa Khai thác - Trường ĐH Nha Trang
Bài báo này giới thiệu về mô hình mô phỏng của hai thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường dây
điện thoại, đó là GDT (Gas Discharge Tube) và TVS Diode (Transient Voltage Suppressor Diode). Chúng được
phối hợp bảo vệ theo hai cấp: sơ cấp và thứ cấp. Đặc biệt, đáp ứng tác động của chúng được mô phỏng bằng
phần mềm ORCAD-PSPICE dưới xung sét thử nghiệm là xung chuẩn 10/700μs, biên độ 5KV theo tiêu chuẩn
viễn thông quốc tế ITU-T K20 .
Kết quả mô phỏng của hai mô hình thiết bị GDT và TVS Diode và các mạch phát xung sét chuẩn sẽ được
kiểm tra tính đúng đắn bằng cách so sánh với tài liệu tương ứng của nhà sản xuất ERICO,Inc cung cấp.
Điện trở phối hợp

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Thiết bị điện tử ngày nay dễ bị hư hỏng
hơn đối với các xung quá áp và quá trình quá
độ. Đường dây điện thoại là một phần trong
cấu trúc hạ tầng mạng viễn thông hiện nay, nó
sử dụng nhiều linh kiện nhạy cảm nên rất cần
có những hình thức bảo vệ hữu hiệu ngay từ
tổng đài đến các thiết bị thuê bao của khách
hàng. Hệ thống 2 dây Tip và Ring của đường
dây này đi ngoài trời rất dễ bị ảnh hưởng của
các nhiễu gây ra do sét đánh trực tiếp, do cảm
ứng hay tiếp xúc với đường dây điện lực. Tại

các tổng đài ngoài việc chống sét đánh trực
tiếp, đánh trên đường dây cấp nguồn hạ áp thì
người ta phải lắp đặt các thiết bị triệt xung áp
lan truyền để bảo đảm rằng ngay cả các xung
áp nhỏ cũng không gây hại cho thiết bị.
Các mạch bảo vệ phi tuyến được thiết kế
bảo vệ đường dây điện thoại thường có hai
khâu: khâu thứ nhất là một van chống sét khí
GDT (Gas Discharge Tube) để bảo vệ sơ bộ
và khâu thứ hai là một diode triệt xung TVS
Diode (Transient Voltage Suppressor Diode)
để bảo vệ chính xác. Hai khâu được kết hợp
với nhau bằng một trở kháng, thường là một
điện trở để giới hạn dòng.

58

R

P1

Bảo vệ
sơ cấp

P2 Đối tượng

bảo vệ

Bảo vệ
thứ cấp

Hình 1. Sơ đồ khối phối hợp bảo vệ
Ở sơ đồ khối phối hợp bảo vệ thì P1 là bảo
vệ sơ cấp dùng GDT, R là phần tử phối hợp và
là điện trở giới hạn dòng, P2 là bảo vệ thứ cấp
sử dụng phần tử TVS Diode.
Để kiểm chứng hiệu quả bảo vệ, cần thiết
phải thực hiện sự vận hành của mạch điện dưới
tác động của một xung sét chuẩn. Bài báo này
giới thiệu việc kiểm chứng hiệu quả bảo vệ của
hai phần tử GDT và TVS Diode bằng cách mô
phỏng trên phần mềm ORCAD-PSPICE. Mô
hình hai phần tử GDT và TVS Diode được sử
dụng trong hai khâu bảo vệ là hai mô hình mới
được xây dựng và đưa vào thư viện dùng
chung của phần mềm PSPICE để dùng như
một linh kiện có sẳn. Kết quả mô phỏng hoạt


Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007
động của chúng sẽ được so sánh với thông tin,
tư liệu được cung cấp từ nhà sản xuất ra các
loại thiết bị chống sét, công ty ERICO, để đánh
giá tính đúng đắn của mô hình thông qua hiệu
quả của việc phối hợp bảo vệ.
II. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ
Đây là hai thiết bị được thiết kế để bảo vệ
quá áp, nó được lựa chọn bởi hiệu quả và tính
kinh tế mà nó mang lại. Dưới đây giới thiệu
tóm tắt một số đặc điểm của hai thiết bị này:

™ GDT là các ống phóng khí thường có dạng
2 cực và 3 cực. Các điện cực được giữ ở
khoảng cách gần nhau và đặt trong ống có đầy
khí trơ áp suất thấp. Khi có điện áp cao đặt vào
giữa các điện cực vượt quá giá trị ngưỡng thì
khí bên trong bị ion hóa và xuất hiện dòng điện
chạy qua các điện cực. Ở trạng thái không dẫn
(off) thì điện trở của ống phóng khí rất cao,
nhưng khi dẫn giá trị điện trở này giảm xuống
đột ngột, dẫn dòng điện sét xuống đất.
™ TVS diode là các diode được chế tạo đặc
biệt, chúng có đặc tính là điện áp hoạt động và
điện áp kẹp thấp, thời gian đáp ứng khá nhanh
khi tác động.
III. MÔ PHỎNG
1. Phần mềm sử dụng để mô phỏng
ORCAD-PSPICE là phần mềm liên thông
dùng để vẽ mạch điện và mô phỏng, phân tích
sự làm việc của mạch điện đó. Nó có một thư
viện đủ lớn chứa tất cả các mô hình của các
phần tử có thể có mặt trong mạch điện tử với
các thông số cụ thể và với hãng sản xuất cụ
thể.
Hai mô hình phần tử chống sét mới GDT
và TVS Diode của tác giả xây dựng sẽ được
đưa vào thư viện của ORCAD 9.1 vì trong đó
nhà sản xuất phần mềm chưa có hai mô hình
này. Việc bổ sung hai mô hình này vào thư
viện của ORCAD có ý nghĩa rất lớn trong giai
đoạn hiện nay vì đây là một phần mềm phổ

Trường Đại học Nha Trang
dụng trong các viện nghiên cứu, các trường đại
học. Hiện nay ở nước ta, các phòng thí nghiệm
về thiết bị cao áp còn rất hạn chế, cho nên việc
kiểm tra thiết bị bằng mô hình thay thế và thực
hiện mô phỏng trên máy tính là một giải pháp
tốt cả về kỹ thuật lẫn kinh tế.
2. Mô hình GDT và TVS Diode
Mô hình GDT và TVS Diode xây dựng theo
ngôn ngữ lập trình của PSPICE dựa trên cấu
trúc mô hình của Borgeest [1,2], không sử dụng
các công tắc chuyển mạch mà thay bằng các
nguồn áp điều khiển bằng nguồn dòng. Sự thay
đổi điện trở theo thời gian trong lòng của ống
GDT được cải tiến để quá trình đánh thủng xảy
ra nhanh nhất. Ký hiệu mô hình của GDT và
TVS Diode trong thư viện PSPICE được thể
hiện như Hình 2.

D18

D17

DIODE TVS BI-DIR

DIODE TVS

(a)

b)

(c)

Hình 2. Ký hiệu mô hình GDT (a), TVS một
hướng (b) và TVS hai hướng (c)
3. Thông số của thiết bị mô phỏng
3.1 Thiết bị GDT
Phần tử GDT sử dụng mô phỏng được chọn
của hãng Siemens mã hiệu Q69-X50 có thông
số làm việc như Bảng 1.
Bảng 1. Thông số làm việc của GDT
VGLOW
(V)

IHOLD
(μA)

IGLOW
(μA)

VARC
(V)

VBR
(V)

70

0.1

0.01

10

350

Ls
(nH)
1

3.2 Thiết bị TVS Diode

59


Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007

Trường Đại học Nha Trang

Phần tử TVS Diode sử dụng mô phỏng
được chọn của hãng General Semiconductor
mã hiệu 1N6303 với các thông số ở Bảng 2.

IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI
TÀI LIỆU CỦA NHÀ SẢN XUẤT

Bảng 2. Thông số của TVS diode

a/ Sơ đồ bảo vệ số 1 mô phỏng trên phần mềm

PSPICE

VBR
(V)

VC
(V)

IT
(A)

VRWM
(V)

IR
(A)

IPP
(A)

180220

287

1.0

162

5.0

5.2

1. Mô phỏng và so sánh sơ đồ 1

4. Sơ đồ thực hiện mô phỏng
4.1 Sơ đồ bảo vệ số 1
MẠCH
PHÁT
XUNG SÉT
CHUẨN

DT

Đối tượng
bảo vệ

GDT
Xung chuẩn được phát qua thiết bị GDT có
một chân nối đất. Theo sơ đồ nguyên lý bảo vệ
chống quá áp cho đường dây điện thoại, GDT
thường được lắp đặt ở phần bảo vệ sơ cấp tức
là phía nhà cung cấp dịch vụ hay tại tổng đài.
Theo tiêu chuẩn của hiệp hội viễn thông quốc
tế ITU-T K20 (International Telecommunication
Union), các thiết bị cắt xung sét ở phía sơ cấp
phải có khả năng cắt được xung sét lan truyền
có biên độ đến 6KV mà không hề bị hư hỏng
và vẫn hoạt động tốt sau khi kiểm tra.
4.2 Sơ đồ bảo vệ số 2
Thiết bị bảo vệ thứ cấp sử dụng 2 phần tử

TVS Diode dẫn hai hướng mắc đối ngẫu.

MẠCH
PHÁT
XUNG
SÉT
CHUẨN

Đối
tượng
bảo vệ

60

R

Mạch phát xung sét chuẩn tác giả sử dụng
để thử nghiệm là mô hình máy phát xung sét
thành lập trên phần mềm ORCAD-PSPICE

Hình 4. Đáp ứng của mô hình GDT dưới tác
dụng của xung sét chuẩn 10/700μs-5KV
b/ So sánh với tài liệu của nhà sản xuất thiết bị
chống sét ERICO

R

GDT

Hình 3. Sơ đồ mạch phát xung sét chuẩn

10/700μs-5KV qua hai GDT

Phần tử sử dụng của nhà sản xuất tương ứng
có mã hiệu SLP10-K1F bên trong có một GDT
ba chân, một chân nối đất. Xung sét thử nghiệm
của nhà sản xuất cũng là xung chuẩn 10/700μs-

TVS

5KV đựợc phát từ một máy phát xung cao áp.


Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007

Hình 5. Mạch tích hợp theo sơ đồ 1
của phần tử SLP10-K1F

Trường Đại học Nha Trang

Hình 8. Đáp ứng của mạch dưới tác dụng
của xung sét chuẩn 10/700μs-5KV
b/ So sánh với tài liệu của nhà sản xuất thiết bị
chống sét ERICO
Hình 9 là mạch thử nghiệm của nhà sản xuất
với phần tử HSP10-K230 được tích hợp theo
sơ đồ bảo vệ số 2. Phần tử này được tích hợp
bên trong gồm một GDT ba chân, hai điện trở
giới hạn dòng và bốn TVS Diode mắc đối ngẫu.

Hình 6. Đáp ứng của thiết bị chống sét

do nhà sản xuất cung cấp
2. Mô phỏng và so sánh sơ đồ 2
a/ Sơ đồ bảo vệ số 2 mô phỏng trên phần mềm
PSPICE

Hình 9. Mạch tích hợp theo sơ đồ 3
của phần tử HSP10-K230

Hình 7. Sơ đồ mạch phát xung sét chuẩn
10/700μs-5KV qua hai khâu bảo vệ

Hình 10. Đáp ứng ngõ ra của sơ đồ bảo vệ
số 2 theo xung chuẩn 10/700μs-5KV

61


Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007
V. NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
So sánh kết quả mô phỏng trên phần mềm
PSPICE với hai mô hình GDT và TVS Diode
vừa được xây dựng với tài liệu của nhà sản
xuất thiết bị chống sét ERICO [3] cụ thể trong
Phần IV, với cùng xung thử nghiệm là xung sét
chuẩn 10/700μs biên độ 5kV nhận thấy:
¾

Hình dạng sóng xung sét đạt được giống
như tài liệu của hãng sản xuất

¾

Giá trị biên độ đỉnh của mô hình đạt
được xấp xỉ bằng với giá trị biên độ đỉnh
trong tài liệu cung cấp.

¾

Thời gian cắt của mô hình bằng với thời
gian cắt của thiết bị

¾

Độ rộng xung của mô hình bằng với độ
rộng xung của thiết bị

VI. KẾT LUẬN
Như vậy đối chiếu với thông số kỹ thuật
của các thiết bị chống sét lan truyền trên
đường tín hiệu do công ty ERICO cung cấp,
kết quả đạt được cho thấy tính đúng đắn của

Trường Đại học Nha Trang
biệt hai mô hình phần tử GDT và TVS Diode tác
giả xây dựng hoàn toàn có thể đáp ứng được
yêu cầu sử dụng để mô phỏng các phần tử
GDT và TVS trong thực tế nhằm kiểm tra đáp
ứng làm việc của nó.
Việt Nam nằm trong vùng có mật độ sét
tương đối dày, ảnh hưởng xấu do sét cảm ứng

lan truyền trên đường dây điện thoại là rất lớn.
Những hư hỏng về thiết bi tại các tổng đài hay
thuê bao sẽ gây thiệt hại về kinh tế, xã hội vv...
và ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp dịch vụ
cho khách hàng do gián đoạn thông tin liên lạc.
Hiện nay ta chưa sản xuất thiết bị chống sét lan
truyền mà chủ yếu nhập từ các công ty nước
ngoài. Đồng thời công nghệ chống sét thay đổi
rất nhanh và những thông tin hạn chế từ phía
nhà sản xuất khiến cho người sử dụng gặp
nhiều lúng túng trong việc lựa chọn và thực
hiện kiểm tra hiệu quả của nó một cách chủ
động. Các mô hình này sẽ phát huy tác dụng rất
cao trong lĩnh vực thiết kế chống sét cũng như
trong việc thực hành môn học Bảo vệ chống sét
đối với sinh viên chuyên ngành Điện.

các mô hình máy phát xung 10/700μs và đặc

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

2.
3.
4.

K. Borgeest, M.S. Sarto, J. L. ter Haseborg: “ Two simulation methods for the design of
transient protection circuits in comparition with measurements”, International Zurich
Symposium on Electromagnetic Compatibility, March 7-9, 1995
K. Borgeest, J. L. ter Haseborg, Anders Larsson, Viktor Scuka:

”Numerial Simulation of gas Discharge Protectors-A review”, IEEE Transaction on Power
Delivery, vol 14, No 2, April 1999
Erico, Inc,”Telecommunication line protectors”,1999
ABSTRACT

This article presents simulation models of two equipments against overvoltage caused by transient
lightning on the phone line, that are GDT (Gas Discharge Tube) and TVS Diode (Transient Voltage
Suppressor Diode). They are coordinated in protection for two levels: primary and secondary.
Especially, reaction responses of GDT and TVS Diode are simulated by PSPICE under lightning test
waveform 10/700μs, 5KV amplitude to international telecommunication standard ITU-T K20.
The result of simulation for the model creating and standard surge lightning circuits checked their
rightness in comparison with document compatible supplied from producer, ERICO.

62