Lập mô hình mô phỏng các phần tử phi tuyến thiết bị chống sét hiện đại trên đường cấp nguồn hạ áp và đường tín hiệu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.87 MB, 127 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------o0o----------
NGUYỄN HOÀNG MINH VŨ
ĐỀ TÀI :
LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CÁC PHẦN
TỬ PHI TUYẾN CỦA THIẾT BỊ CHỐNG
SÉT HIỆN ĐẠI TRÊN ĐƯỜNG CẤP
NGUỒN HẠ ÁP VÀ ĐƯỜNG TÍN HIỆU
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH : 2.02.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12/2003
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA
-------------
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
-----o0o-----
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : NGUYỄN HOÀNG MINH VŨ
Ngày sinh : 16 – 11 – 1974
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện
Giới tính : Nam
Nơi sinh : Bình Thuận
I.
TÊN ĐỀ TÀI :
Lập Mô Hình Mô Phỏng Các Phần Tử Phi Tuyến Của Thiết Bị Chống Sét Hiện Đại
Trên Đường Cấp Nguồn Hạ p Và Đường Tín Hiệu
II.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. LẬP MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ PHI TUYẾN CỦA THIẾT BỊ CHỐNG
SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP VÀ ĐƯỜNG TÍN
HIỆU.
2. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BẢO VỆ CỦA THIẾT BỊ.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :
TS. QUYỀN HUY ÁNH
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 : TS. NGUYỄN CHU HÙNG
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2 : TS. NGUYỄN HỮU PHÚC
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. QUYỀN HUY ÁNH
CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1
CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2
TS.NGUYỄN CHU HÙNG TS.NGUYỄN HỮU PHÚC
Nội dung đề cương luận văn Thạc Só đã được hội đồng chuyên ngành thông qua.
PHÒNG QUẢN LÝ SĐH
Tp. HCM, ngày ……… tháng ……… năm 2003
CHỦ NHIỆM NGAØNH
TS. NGUYỄN HỮU PHÚC
CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học :
Tiến Só : QUYỀN HUY ÁNH
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
Tiến só : NGUYỄN CHU HÙNG
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
Tiến só : NGUYỄN HỮU PHÚC
Luận văn thạc só được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trường đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh
Ngày ……… tháng ……… năm 2003
Có thể tìm hiểu luận văn tại :
Thư viện Cao Học trường đại học Bách Khoa – Đại học quốc gia thành
phố Hồ Chí Minh.
Bộ Môn Thiết Bị Điện – Khoa Điện – Điện Tử trường đại học Bách
Khoa.
Người thực hiện : 134 Ngô Nhân Tịnh, phường 13 quaän 05 Tp. HCM
Lời cảm ơn
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS.
Quyền Huy Ánh, đã cung cấp những tài liệu vô cùng q báu, tận tụy hướng dẫn
tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin cảm ơn q Thầy Cô trong khoa Điện – Điện tử và Thư viện
trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã hướng dẫn, động viên
và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận văn này.
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được sự động
viên nhiệt tình của tất cả anh chị học viên Cao Học khóa 12 ngành Kỹ Thuật
Điện và các bạn đồng nghiệp.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Ban Giám Hiệu trường đại học Kiến Trúc
thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn
này.
Học viên thực hiện
MỤC LỤC
Trang
Chương Dẫn Nhập
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Đặt Vấn Đề
Nhiệm Vụ Của Luận Văn
Phạm Vi Nghiên Cứu
Các Bước Tiến Hành
Điểm Mới Của Luận Văn
Giá Trị Thực Tiễn Của Đề Tài
Nội Dung Luận Văn
1
2
3
3
3
4
4
Chương 1 : Cấu Tạo Thiết Bị Chống Sét Lan Truyền Trên
Đường Cấp Nguồn Hạ Áp Và Đường Tín Hiệu
1.1. Thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu
1.2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với các thiết bị chống sét trên
đường tín hiệu
1.3. Ống phóng khí
1.4. So sánh tính năng bảo vệ của các phần tử
1.5. Thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn
1.6. Thiết bị lọc sét
5
6
6
19
20
20
Chương 2 : Lập Mô Hình Các Phần Tử Phi Tuyến Của Thiết
Bị Chống Sét Lan Truyền Trên Đường Nguồn Hạ Áp Và
Đường Tín Hiệu
2.1. Mô hình điện trở
2.2. Mô hình tụ điện
2.3. Mô hình cuộn dây lõi Ferrite
2.4. Mô hình ống phóng khí
24
26
28
50
Chương 3 : Mô Phỏng Thiết Bị Chống Sét Lan Truyền Trên
Đường Nguồn Hạ Áp Và Đường Tín Hiệu
3.1. Mục đích mô phỏng
80
3.2. Giới thiệu phần mềm mô phỏng Orcad/PSpice A/D V
9.2
3.3. Phương pháp mô phỏng thiết kế mạch bảo vệ quá độ
3.4. Mô phỏng thiết bị lọc sét
81
82
85
3.5. Mô phỏng thiết bị cắt sét trên đường tín hiệu
89
3.6. Kết quả mô phỏng
91
Chương 4 : Kết Luận
Tài Liệu Tham Khảo
Phụ Lục
107
Chương Dẫn Nhập
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, khí hậu Việt Nam
rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét. Số ngày dông có ở
Việt Nam trên toàn khu vực thuộc loại khá lớn. Hiện nay chống sét trực tiếp đã
được quan tâm tương đối với các giải pháp từ cổ điển đến hiện đại. Số liệu
thống kê chỉ ra hơn 70% hư hỏng do sét gây ra lại do sét đánh lan truyền hay
ghép cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu. Nên việc đề ra
giải pháp chống sét lan truyền trên đường nguồn, đường tín hiệu, lựa chọn thiết
bị bảo vệ phù hợp và nghiên cứu chế tạo thiết bị chống sét lan truyền đóng vai
trò rất quan trọng. Tuy nhiên, vì chống sét lan truyền chưa được quan tâm một
cách đầy đủ, hiểu biết về cấu tạo, tính năng các thiết bị chống sét lan truyền
theo các công nghệ khác nhau còn hạn chế hoặc do các hãng sản xuất thiết bị
chống sét giử bản quyền. Bên cạnh đó, những hạn chế về trang thiết bị thí
nghiệm cao áp, số lượng phòng thí nghiệm cao áp còn khiêm tốn nên rất khó
khăn cho công tác thiết kế, nghiên cứu phát triển thiết bị chống sét lan truyền
tại Việt Nam.
Thống kê cho thấy, thiệt hại do sét lan truyền gây ra rất lớn trong các lãnh
vực trọng điểm của đất nước như : Bưu Chính Viễn Thông, Phát Thanh Truyền
Hình, Ngân Hàng, Hàng Không, Xăng Dầu,….Vì những lý do trên, để giúp cho
các nhà nghiên cứu, các nhà ứng dụng có thể nâng cao hiểu biết của mình về
cấu tạo, tính năng và các hành vi của thiết bị chống sét lan truyền dưới tác
động của các dạng xung sét định trước, phải nhờ vào những phương pháp mô
hình hoá và mô phỏng.
Ngày nay, mô hình hoá và mô phỏng đã xâm nhập tất cả các lónh vực
hàng đầu như : các ngành khoa học kỹ thuật và công nghệ. Ngành khoa học này
giúp cho con người hiểu biết thêm về sự tương tác giữa các yếu tố cấu thành
một hệ thống cũng như toàn bộ hệ thống. Mức độ hiểu biết nhận được từ ngành
khoa học này lớn tới mức hiếm khi đạt được thông qua bất kỳ ngành khoa học
nào khác. Đặc biệt là khi đối tượng nghiên cứu rất phức tạp với nhiều biến và
thành phần tương tác với nhau, các quan hệ giữa các biến số cơ bản là phi
tuyến, mô hình chứa nhiều biến ngẫu nhiên khó khảo sát,… mà các thiết bị
chống sét lan truyền trên đường nguồn và đường tín hiệu là một ví dụ.
Hiện nay, có nhiều nhà nghiên cứu và một số hãng sản xuất thiết bị chống
sét lan truyền trên đường nguồn và đường tín hiệu đã đi sâu nghiên cứu, đề
xuất mô hình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và với những
quan điểm xây dựng mô hình khác nhau. Bên cạnh đó, một số phần mềm mô
phỏng cũng đã hỗ trợ xây dựng mô hình thiết bị chống sét lan truyền. Tuy
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vuõ
1
Chương Dẫn Nhập
nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hoá - mô phỏng và yêu cầu về
mức độ chính xác, mức tương đồng cao giữa mô hình và nguyên mẫu, các
phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng của các phần tử chống sét lan
truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và đang được tiếp tục nghiên cứu phát triển.
Một điều đáng quan tâm, tuy mạng hạ áp không truyền tải công suất lớn
nhưng lại trải trên diện rộng và cung cấp điện năng trực tiếp cho các hộ tiêu thụ
nên nó lại là nguyên nhân dẫn sét vào công trình, gây ngừng dịch vụ, hư hỏng
thiết bị (đặc biệt là thiết bị điện tử vốn rất nhạy cảm với xung sét). Các thiệt hại
trong lãnh vực này rất lớn và nhiều lúc không thể đánh giá cụ thể được. Trên
thế giới rất nhiều nhà sản xuất thiết bị chống sét đã đi vào lãnh vực chế tạo các
thiết bị chuyên dụng chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín
hiệu. Công nghệ chống sét trong lãnh vực này tiến triển rất nhanh chóng (trong
vòng hai đến ba năm lại xuất hiện công nghệ mới) điều này gây khó khăn cho
các nhà sử dụng thiết bị chống sét của Việt Nam trước các thông tin về cấu tạo,
tính năng thiết bị do nhà sản xuất đưa ra để có thể đánh giá hiệu quả bảo vệ
của thiết bị một cách đúng đắn cũng như lựa chọn thiết bị bảo vệ hợp lý. Đáng
tiếc là cho đến nay việc mô hình hoá và mô phỏng các thiết bị chống sét lan
truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu ở Việt Nam hầu như còn bỏ
ngõ với sự hỗ trợ của các nhà sản xuất, các phần mềm mô phỏng và tài liệu
tham khảo rất ít ỏi và hạn chế. Một trong các khó khăn khi tiến hành lập mô
hình mô phỏng các phần tử là hiện các mô hình chưa có hay đã có nhưng được
giữ bản quyền bởi các hãng sản xuất thiết bị chống sét lan truyền nước ngoài.
Luận văn này đi sâu vào lãnh vực mô hình hóa và mô phỏng các thiết bị
chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu với mong muốn
cung cấp công cụ giúp hiểu biết sâu hơn về các thiết bị chống sét trên đường
nguồn hạ áp và đường tín hiệu về các phương diện cấu tạo, tính năng và có thể
phục vụ đánh giá các thông tin do các nhà sản xuất thiết bị chống sét cung cấp
một cách khách quan và tự tin hơn.
2. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN
1. Nghiên cứu cấu tạo và tính năng thiết bị chống lan truyền trên đường
nguồn hạ áp và đường tín hiệu.
2. Lập mô hình và mô phỏng các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét
lan truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu.
3. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của thiết bị.
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
2
Chương Dẫn Nhập
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1. Nghiên cứu cấu tạo và tính năng thiết bị chống lan truyền trên đường
nguồn hạ áp và đường tín hiệu.
2. Mô hình hoá và mô phỏng các phần tử phi tuyến (cuộn dây lõi ferrite
và GDT) của thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn ở
mạng hạ áp và đường tín hiệu.
3. Nghiên cứu các phần mềm mới hỗ trợ có thể tìm thấy tại Việt Nam.
4. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
1. Thu thập tài liệu từ các nguồn khác nhau như sách báo, tạp chí và
Internet.
2. Tổng hợp và phân tích tài liệu.
3. Nghiên cứu phần mềm hổ trợ ORCAD SPICE A/D phiên bản 9.2
4. Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét trong và ngoài nước.
5. Nghiên cứu cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền ở mạng hạ áp và
đường tín hiệu.
6. Lập mô hình các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét lan truyền ở
mạng hạ áp và đường tín hiệu.
7. Thực thi mô hình.
8. Đánh giá tính năng và hiệu quả bảo vệ của thiết bị
5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN
1. Nghiên cứu lập mô hình các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét
trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu.
2. Mô phỏng các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét lan truyền trên
đường cấp nguồn ở mạng điện hạ áp và đường tín hiệu.
6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Sau khi hoàn thành, đề tài dự kiến sẽ đạt được những kết quả mang tính
thực tiễn như sau :
1. Kết quả nghiên cứu đáp ứng phần nào tính cấp bách trong công tác
nghiên cứu ứng dụng, thiết kế thiết bị cắt sét lan truyền trên đường
cấp nguồn hạ áp và đường tín hiệu trong điều kiện thiếu phòng thí
nghiệm hiện nay.
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
3
Chương Dẫn Nhập
2. Đáp ứng được nhu cầu phát triển trong ngành xây dựng, các công trình
cao tầng và các công trình “ thông minh” với các thiết bị nhạy cảm với
các xung quá áp.
3. Làm tài liệu tham khảo cho học viên học sau đại học đối với môn học
Mô Hình Mô phỏng và các môn học có liên quan khác.
4. Đề tài có khả năng phát triển ở những cấp nghiên cứu cao hơn với
điều kiện cho phép.
5. Tài liệu này sẽ giúp cho học viên hiểu sâu hơn về sự tương tác của các
phần tử trong một hệ thống, đặc biệt là trong hệ thống chống sét lan
truyền. Ngoài ra, còn giúp cho người học những kinh nghiệm trong
công tác thực hành lập mô hình và mô phỏng thiết bị trên các phần
mềm tương tự.
Với mức độ phát triển về công nghệ vật liệu mới, khoa học máy tính,…
hoàn toàn cho phép thực hiện những mô phỏng chi tiết hơn, gần với thực tế hơn.
Điều này sẽ nâng cao mức độ đánh giá chính xác, xác thực của mô hình. Làm
tiền đề cho công tác nghiên cứu chế tạo thiết bị cắt sét lan truyền phù hợp với
điều kiện môi trường, phân bố sét và sự phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam.
7. NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chương Dẫn Nhập
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn
hạ áp và đường tín hiệu.
Chương 2 : Lập mô hình các phần tử phi tuyến của thiết bị chống sét lan
truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu.
Chương 3 : Mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ
áp và đường tín hiệu.
Chương 4 : Kết luận
Phụ lục và tài liệu tham khảo
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vuõ
4
Chương 1 trình bày chi tiết về cấu tạo
và nguyên lý hoạt động phần tử ống phóng
khí (GDT) và thiết bị lọc sét đã được
nghiên cứu. Đây là các phần tử quan trọng
được nghiên cứu dùng để chế tạo thiết bị
chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn
và đường tín hieäu.
CHƯƠNG 1
CẤU TẠO THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN
TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP VÀ ĐƯỜNG TÍN HIỆU
1.1. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG TÍN HIỆU
1.2. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ CHỐNG SÉT
TRÊN ĐƯỜNG TÍN HIỆU
1.3. ỐNG PHÓNG KHÍ
1.4. SO SÁNH TÍNH NĂNG BẢO VỆ CỦA CÁC PHẦN TỬ
1.5. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN
1.6. THIẾT BỊ LỌC SÉT
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
1.1. THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG TÍN HIỆU
Thiết bị bảo vệ các hệ thống thông tin cung cấp một loạt các khả năng vận
hành để bảo vệ thiết bị giao tiếp, thiết bị đầu cuối từ những hư hỏng do sét cảm
ứng trên đường tín hiệu.
Các phần tử bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệu có các ưu,
nhược điểm khác nhau, đặc biệt là về thời gian tác động và khả năng tản sét.
Thí dụ, ống phóng khí có khả năng tản sét cao (đến 20kA 8/20μs) nhưng thời
gian tác động chậm (hàng trăm ns); ngược lại diode zener có thời gian tác động
nhanh (hàng ps) nhưng khả năng tản sét tường đối thấp (đến 5kA 8/20μs). Chính
vì vậy, để thiết bị chống sét lan truyền trên đường truyền tín hiệu đạt hiệu quả
cao, cần phải kết hợp các phần tử bảo vệ khác nhau trong một mạch bảo vệ.
Hình 1.1 trình bày cấu tạo thiết bị chống sét trên đường truyền tín hiệu trong đó
sử dụng công nghệ hỗn hợp ống phóng khí, MOV và Diode Zener.
TẦ NG 1
TẦ NG 2
TẦ NG 3
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu
Các phần tử MOV, Diode đã được nghiên cứu tương đối kỹ lưỡng, nhưng
phần tử bảo vệ ở tầng đầu tiên, ống phóng khí – GDT, chưa được nghiên cứu
sâu sắc. Đây là phần tử có tính phi tuyến rất cao, có hiệu quả cắt sét tốt, tuổi
thọ phục vụ cao nên việc nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, quá trình
phóng điện trong chất khí,… để lập mô hình và mô phỏng rất khó khăn phức tạp.
Điều kiện lựa chọn thiết bị chống sét trên đường tín hiệu
truyền
Điện áp định mức :
Dòng sét tản định mức :
Số pha :
Tốc độ truyền tín hiệu số :
Tốc độ truyền tín hiệu tương tự :
Điện áp kẹp :
Giải tần hoạt động :
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
m ≥ Ulvmax
In ≥ Ismax
1 pha hay 3 pha
Vd>Vdmax
Va>Vamax
Uc1 =(1,1-1,2) Umax
Tùy thuộc loại đường
5
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
1.2. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI THIẾT BỊ CHỐNG SÉT TRÊN
ĐƯỜNG TÍN HIỆU
Theo Qui Phạm Chống Sét Cho Các Công Trình Viễn Thông TCN -174:
1998 của Tổng Cục Bưu Điện, điều 9, mục 1, các thiết bị chống sét trên đường
cáp đồng trục phải thỏa các yêu cầu kỹ thuật sau:
Thiết bị phải có khả năng chịu được dòng xung sét dạng sóng
8/20μs có biên độ không nhỏ hơn 5kA .
Thời gian nhạy đáp ứng của thiết bị không được lớn hơn 5ns đối với
sóng xung áp có độ dốc 2kV/ns.
Tỷ số sóng đứng cho toàn bộ dải tần làm việc không lớn hơn 1,5 : 1
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
10/1000μs có biên độ 500A.
1.3. ỐNG PHÓNG KHÍ (GDT- GAS DISCHAGER TUBE)
1.3.1. Giới Thiệu
Quá điện áp có thể xuất phát từ trường khí quyển và hiện tượng phóng
điện sét hoặc ghép từ các đường dây cung cấp năng lượng và sự vận hành của
các khóa đóng ngắt, các thiết bị này không được phép làm nhiễu loạn hoặc nguy
hại đến những hệ thống đắc tiền được dùng trong ngành thông tin viễn thông
hiện đại ngày nay. Châu Âu là một ví dụ, tại Châu Âu chỉ chấp nhận những nhà
sản xuất có thể mang đến sự phòng ngừa hiện tượng sét lan truyền tốt nhất.
Thiết bị cắt sét bằng khí hay còn gọi là ống phóng khí (GDT – Gas
Dischager Tube) cung cấp đủ các điều kiện bảo vệ bởi vì nó giới hạn quá điện
áp một cách nhanh chóng và an toàn tới cấp độ là không xuất hiện mối nguy hại
nào và không có sự phóng điện với dòng điện cao.
Hiện nay, nhiều tỷ thiết bị cắt sét có ứng dụng ống phóng khí đang được sử
dụng trên toàn thế giới. Các bưu điện của chính phủ và các tập đoàn điện thoại
trên khắp thế giới tin tưởng vào chúng bởi vì tất cả các sản phẩm này đều thỏa
mãn các tiêu chuẩn quốc tế và được giới thiệu bởi các tiêu chuẩn như : Tiêu
chuẩn ITU-T K.12, IEC 1000.4.5, REA PE 80, DIN VDE 0845 phần 2,...
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
6
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
Việc ứng dụng ống phóng khí trong thiết bị cắt lọc sét nhằm bảo vệ tầng
đầu (sơ cấp) cho hệ thống thông tin liên lạc, cắt điện áp dư ở mọi đường truyền
dẫn từ khung phân phối chính trong tổng đài đến các trạm con. Tuy nhiên, việc
gia tăng số lượng dùng các loại máy Fax, Modems trong việc truyền dẫn dữ liệu
đã làm cho yêu cầu bảo vệ các phần tử điện tử nhạy cảm lắp trong các thiết bị
này.
Do đó, ống phóng khí được lắp ngay tại ngõ vào của hệ thống cấp nguồn,
kết hợp với biến trở và tại điểm kết nối đường dây thông tin.
Hiện nay, thiết bị cắt lọc sét trở nên cần thiết trong việc bảo vệ các trạm
cơ sở trong hệ thống thông tin với một số lượng rất lớn người kết nối, như mạng
cáp truyền hình (CATV), cùng với nhu cầu lớn về thiết bị cắt lọc sét cho các bộ
lặp (Repeaters) và hệ thống phân phối. Khái niệm hộp đen (Black-box) tích hợp
đã dẫn đến ý tưởng bảo vệ bằng việc kết hợp ống phóng khí, biến trở, PTC
nhiệt, Diode và cuộn dây để hình thành giải pháp cho nhiều ứng dụng. Các
dạng sơ đồ dưới đây mô tả một số dạng ứng dụng của ống phóng khí trong hệ
thống thông tin liên lạc.
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
7
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
1.3.1.1. Bảo vệ điện thoại/fax/modem
Điện thoại, fax và modem là những thiết bị tăng nhanh về số lượng và mức
độ điện tử tinh vi phức tạp. Cấu trúc mạch dùng để bảo vệ chúng với ống phóng
khí như hình 1.2 Trong trường hợp quá điện áp, ống phóng khí bảo vệ cả hai
đường dây tổng đài bằng cách dẫn nhanh dòng điện sét xuống đất.
Hình 1.2 : Mạch bảo vệ điện thoại/ fax/ Modem
1.3.1.2. Bảo vệ đường dây tín hiệu
Đường dây tín hiệu thường đi không tiếp đất. Một ống phóng khí hai cực
mắc cục bộ giửa hai cực của đường dây tín hiệu ngăn chặn việc tạo nên sự khác
biệt điện áp rộng tại ngõ vào của thiết bị để bảo vệ trước khi nó có thể gây bất
cứ nguy hiểm nào.
Hình 1.3. Mạch bảo vệ đường dây tín hiệu
1.3.1.3. Bảo vệ cáp TV/ cáp đồng trục
Ống phóng khí thích hợp một cách đặc biệt để bảo vệ cho đường cáp đồng
trục trong mạng cáp truyền hình (CATV), cũng như nó không làm nhiễu hệ
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vuõ
8
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
thống ngay cả ở tần số cao nhờ nó có điện dung bản thân thấp từ 0.5pF đến 1pF.
Ống phóng khí được chứa trong khối bảo vệ đồng trục, trong đó ống phóng khí
được kết nối giửa dây dẫn trung tâm và vỏ bọc. Được nối tiếp đất cả vỏ bọc
hoặc các khối bảo vệ của toàn nhà, như hình 1.4.
Hình 1.4. Mạch bảo vệ cáp TV/ cáp đồng trục
1.3.1.4. Bảo vệ đường dây điện xoay chiều (AC- Alternative Current)
Những thiết bị thông tin cũng như những bộ khuếch đại cáp truyền hình
(CATV Amplifers), hệ thống giải trí gia đình, máy vi tính và các thiết bị tương tự
có thể bị nguy hiểm do quá điện áp lan truyền theo mạng cấp nguồn. Kết hợp
ống phóng khí và biến trở nhiệt là một minh chứng bảo vệ trong trường hợp này.
Dây pha và trung tính được kết nối bằng hai biến trở nối tiếp kết hợp với một
ống phóng khí như hình 1.5.
Hình 1.5 : Mạch bảo vệ đường cấp nguồn AC
1.3.1.5. Các dạng mạch mạch bảo vệ
Theo mạch cơ bản minh họa cấu trúc tiêu chuẩn của cắt lọc sét dùng để
bảo vệ những cụm thông tin liên lạc. Giải pháp bảo vệ ba điểm chỉ bao gồm
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
9
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
một ống phóng khí trong khi giải pháp bảo vệ năm điểm hợp thành bộ giới hạn
dòng điện như PTC nhiệt.
A
B
C
D
Hình 1.6 : A, B – Mạch bảo vệ 3 điểm
C, D – Mạch bảo vệ 5 điểm
Để hiểu và có thể so sánh các dạng mạch bảo vệ cơ bản trong việc ứng
dụng ống phóng khí cho hệ thống cắt lọc sét của mạng thông tin liên lạc ta xem
xét hai kiểu bảo vệ sau :
a. Bảo vệ 3 điểm
Mạch bảo vệ ba điểm được nối giửa dây a/b và đất và hoạt động bằng
việc dẫn điện áp dư xuống đất. Ống phóng khí dạng hai cực được sử dụng. Cắt
sét với kỹ thuật dự phòng trình bày một thay đổi khác.
b. Bảo vệ 5 điểm
Một mạch bảo vệ năm điểm bao gồm một bộ giới hạn dòng điện, thông
thường là một PTC nhiệt, cộng thêm một ống phóng khí. Điện trở nhiệt sẽ
không ngắt mạch như những khối xa hơn dòng điện chảy qua nó bởi một điện
trở rất cao trong trường hợp quá áp.
1.3.2. Cấu Trúc Ống Phóng Khí
Ống phóng khí là một cải tiến rất tinh vi của khe hở phóng điện, thích hợp
cho bảo vệ mạng viễn thông. Loại thường sử dụng cho mạng viễn thông có
đường kính 3/8 inch và dày ¼ inch. Mặt cắt ngang trình bày ở hình 1.7. Nó gồm
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
10
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
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. Mặt khác, sự phóng điện rất nhạy cảm với
ánh sáng môi trường xung quanh.
Do có kích thước nhỏ và khe hở khá rộng nên điện dung rất thấp (vài pF).
Khi không hoạt hóa thì trạng thái tổng trở ngắt hoặc điện trở cách điện rất lớn
(lớn hơn 10 GΩ).
Hình 1.7. Mặt cắt ngang của ống phóng khí cơ bản
Với cùng một cấu trúc tương tự như ống phóng khí cơ bản đã trình bày ở
trên, một bước phát triển mới của ống phóng khí nhằm tăng sự ổn định điện áp
phóng điện, giảm khoảng cách giửa các điện cực, giảm kích thước và tăng tuổi
thọ làm việc bằng một nghiên cứu của hãng Siemens. Thực chất, tính chất điện
của ống phóng khí tùy thuộc chính vào nhiều thông số khác nhau như loại khí,
áp suất khí, độ ẩm và mức độ ô nhiễm.
Một hợp chất hoạt hóa được ứng dụng để tạo ra hiệu ứng electron bề mặt
của điện cực, khoảng cách giửa các điện cực phải ít hơn 1 mm, để tăng tốc việc
phát điện tử và bảo đảm ổn định điện áp phóng điện bằng phẳng sau khi tái lập
dòng tải. Đặc điểm của ống phóng khí mới là có mối tương quan rất tốt giửa
kích thước, dung lượng xung phóng điện và tuổi thọ phục vụ trung bình.
Cấp bảo vệ có thể đạt được với một cắt sét vào lúc điện áp nhiễu tăng
trưởng nhanh chóng (xấp xỉ 1V/μs) là một quyết định quan trọng trong ứng
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
11
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
dụng thực tế. Ống phóng khí phải đáp ứng nhanh chóng để giới hạn quá điện áp
ở mức thấp. Với lý do đó, một hiệu ứng trợ giúp cháy (phát minh của Siemens)
được gắn vào mặt trong của cách điện hình trụ. Bằng cách làm biến dạng
trường, nhờ sự trợ giúp cháy này, kết quả là một sự ion hóa đặc biệt nhanh
chóng ở vùng phóng điện. Như vậy, sẽ làm khởi động nhanh quá trình phóng
điện, đặc điểm ống phóng điện mới là có đặc tính đáp ứng nhanh với quá trình
tái lập. Đặc tính quan trọng của ống phóng khí thế hệ mới là không dựa trên sự
kích thích, kích hoạt phóng xạ khi bị ảnh hưởng của điện áp tăng cao.
Đặc tính điện của ống phóng khí có thể thay đổi theo những biến đổi của
hệ thống thông tin. Để đạt được điều này, bằng cách thay đổi loại khí, áp suất
và khoảng cách giửa các điện cực. Hơn nữa, lớp phủ phát – điều khiển cũng có
thể bị biến đổi.
Hình 1.8. Mặt cắt cấu trúc ống phóng khí có hỗ trợ quá trình cháy
1.3.3. Các Thông Số Kỹ Thuật Chính
- Điện áp phóng điện một chiều Vsdc
Giá trị này được xác định bằng cách sử dụng một điện áp với tốc độ tăng
trưởng dv/dt ≈ 100V/s (hình 1.9) : “điện áp phóng điện tónh”.
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
12
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
- Điện áp phóng điện một chiều danh định VsdcN
Giá trị ước lượng dùng để thiết kế một ống phóng khí. Các đặc tính khởi
động và sai số cũng như giới hạn và giá trị thử nghiệm được qui vào VsdcN. Nó
mô tả những giá trị đặc biệt của điện áp phóng điện một chiều.
- Điện áp phóng điện một chiều qui về VsdcN%
Một cách tổng quát, sai số được ghi rõ như một giá trị phần trăm của VsdcN,
trong trường hợp đặc biệt nó cũng có thể được thể hiện với các giá trị tuyệt đối.
Hiện tượng vật lý trên được dựa trên cơ sở sự phóng điện trong chất khí, là vấn
đề với những thay đổi thống kê. Những kết quả này, trong những sự biến đổi
trong tất cả sản phẩm ống phóng khí được đưa vào quá trình tính toán khi có sai
số chi tiết.
- Điện áp phóng điện xung vsi
Những đặc tính điện áp phóng điện xung trạng thái động của ống phóng
khí. Giá trị khởi động trong tài liệu này xét đến điện áp với thời gian tăng
trưởng dv/dt = 1kV/μs (hình 1.10)
Hình 1.9
Hình 1.10
Trong thực tế, một số thông số kỹ thuật chính cần được quan tâm, bao gồm
: điện áp phóng điện (một chiều và xung), điện áp dư cực đại, điện áp hồ quang
và dòng xung cực đại.
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vuõ
13
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
Hình 1.11. Dạng sóng điện áp của ống phóng khí
Điện áp phóng điện biến thiên chậm khoảng 5000V/s. Giá trị điện áp một
chiều trong phạm vi từ 75 đến 300V để cung cấp các yêu cầu bảo vệ cho hầu
hết các hệ thống viễn thông. Giá trị xung áp cực đại là mức mà thiết bị sẽ đánh
lửa và trở nên dẫn điện khi đặt vào nó điện áp có độ biến thiên tăng lên nhanh
chóng (khoảng 100 V/μs). Giá trị xung áp cực đại từ 400 đến 600V phụ thuộc
vào loại thiết bị.
Dạng sóng điện áp điển hình của ống phóng khí đối với xung áp cao được
trình bày ở hình 1.11. Từ dạng sóng này có thể nhận thấy rằng tốc độ tăng áp là
100V/μs và điện áp phóng điện là 520V.
Ống phóng khí đánh lửa rất nhanh nhưng điện áp đánh lửa tăng lên theo
độ dốc của đầu sóng trình bày như hình 1.11. Đường gần như thẳng đứng đặc
trưng cho thời gian tăng đột biến của xung. Thời gian đáp ứng lớn hơn 0.1s khi
thời gian tăng chậm và giảm xuống dưới 0.1μs với tốc độ tăng áp 20kV/μs. Tuy
nhiên, điện áp đánh lửa tăng hơn 1000V đối với ống phóng khí loại 250V (DC).
Điện áp phóng điện duy trì phải thấp hơn điện áp dư để dập tắt hồ quang
sau khi quá áp xảy ra. Điện áp dư 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.
Xung dòng cực đại đối với sóng 8/20μs từ 10kA đến 20kA sử dụng cho
thiết bị viễn thông. Đối với xung lặp lại sóng 10/1000μs thì giá trị dòng khoảng
100A, phù hợp với mức độ lộ thiên trong mạng thuê bao điện thoại.
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
14
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
Ống phóng khí thường có tuổi thọ cao với điều kiện vận hành bình thường,
tuy nhiên, cũng có hư hỏng xảy ra. Các hư hỏng thường do dòng rò và điện áp
đánh lửa gây ra. Thử nghiệm cho thấy các ống phóng khí sử dụng từ 6 đến 8
năm có 15% đánh lửa ngoài điện áp qui định. Do điện áp đánh lửa tăng lên
trong quá trình sử dụng nên thiết bị bảo vệ thường sử dụng kết hợp một khe hở
phóng điện dự phòng mắc song song với ống phóng khí. Tuổi thọ sử dụng
thường do nhà sản xuất qui định khi gia tăng thêm 50% điện áp phóng điện và
điện áp đánh lửa. Các giới hạn khác như việc giảm điện trở rò rỉ nhỏ hơn 1mW.
Hình 1.12. Thời gian đáp ứng của ống phóng khí
1.3.4. Nguyên Lý Bảo Vệ
Tổng quát, khi quá điện áp xuất hiện mà vượt quá độ bền điện của hệ
thống cách điện. Sự phóng điện này giới hạn điện áp đột biến và làm giảm
nhiễu trong thời gian rất ngắn. Bằng cách đốt cháy hồ quang với dòng điện có
dung lượng lớn ngăn chặn từ trước sự tăng trưởng quá điện áp nhờ có một hằng
số xấp xỉ, điện áp hồ quang thấp khoảng vài volt đến 10V. Nguyên lý giới hạn
quá điện áp tự nhhiên này dược sử dụng bởi ống phóng khí.
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
15
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
Hình 1.13. Dạng xung
chuẩn 8/20μs
- tr : Thời gian tăng
trưởng - μs
- td : Thời gian suy
giảm ½ giá trị - μs
- 01 : Điểm khởi động
- Ip : Dòng đỉnh
Một cách đơn giản, ống phóng khí có thể so sánh với một công tắc đối
xứng công suất thấp. Điện trở có thể nhảy từ vài Gigaohm trong suốt quá trình
vận hành bình thường đến giá trị nhỏ hơn 1 Ohm sau khi phóng điện với lý do
quá điện áp. Ống phóng khí sẽ tự động trở lại trạng thái tổng trở cao lúc ban
đầu sau khi các ảnh hưởng đã qua đi.
Hình 1.14 trình bày điện áp tác động của thiết bị cắt sét và dòng điện tác
động khi giới hạn một quá điện áp dạng sin.
Vs điện áp đánh thủng
Vgl điện áp cháy
Va điện áp hồ quang
Ve điện áp hồi phục
G tầm chế độ cháy
A tầm chế độ hồ quang
Hình 1.14. Sự giới hạn của quá điện áp sin bởi thiết bị cắt sét
a) Điện áp phóng qua thiết bị cắt sét với thời gian
b) Dòng điện xuyên qua thiết bị cắt sét với thời gian
c) Đường đặc tuyến V/I của thiết bị cắt sét
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
16
Chương 1 : Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp & đường tín hiệu
Trong suốt quá trình tăng trưởng điện áp đến giá trị điện áp đánh thủng Vs
, hầu như không có dòng điện chảy qua. Sau khi đánh lửa, điện áp giảm xuống
bằng giá trị điện áp cháy Vgl (từ 70 đến 150 V tùy theo từng loại, với dòng điện
khoảng vài trăm mA đến khoảng 1,5 A) trong tầm của chế độ cháy G. Hơn nữa,
việc tăng dòng điện, sẽ chuyển sang xuất hiện chế độ hồ quang. Điện áp hồ
quang vô cùng thấp Va từ 10 đến 35 V, với từng loại của chế độ này, gần như
không phụ thuộc dòng điện trên một tầm rộng.
Với việc giảm điện áp (trong thời gian ½ dạng sóng), dòng điện xuyên qua
thiết bị cắt sét giảm giá trị đến khi rơi xuống giá trị thấp nhất (từ khoảng 10 mA
đến khoảng 100mA tùy theo từng loại thiết bị) cần thiết để duy trì trạng thái hồ
quang. Do vậy, sự phóng điện hồ quang phải dừng lại và sau đó chuyển sang
trạng thái cháy sáng (glow mode), thiết bị cắt sét hồi phục về giá trị điện áp Ve .
Trong hình 1.15, đặc tuyến V/I của thiết bị cắt sét là kết quả từ việc kết
hợp hình ảnh điện áp và dòng điện.
Hình 1.15. Điện áp đánh thủng Vs chống lại tăng điện áp dv/dt
1.3.5. Trạng Thái Đáp Ứng
Nếu một điện áp tăng với một tốc độ thấp (thí dụ 100 V/s) được cung cấp
từ thiết bị cắt sét, điện áp đánh thủng Vs sẽ được xác định rõ chủ yếu bằng
không gian giửa các điện cực, bằng loại khí và áp suất khí và bằng nhiệt độ
trước hiện tượng ion hóa xung quanh vùng khí loãng. Giá trị đánh lửa này được
định nghóa như điện áp đánh thủng một chiều (DC) Vsdc (tầm rộng). Tuy nhiên,
khi đối tượng dạng sóng điện áp tăng trưởng với một tỷ lệ nhanh hơn, điện áp
đánh thủng Vs của thiết bị cắt sét thì cao hơn Vsdc . Hiệu ứng này được tạo ra
Học viên : Nguyễn Hoàng Minh Vũ
17
