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

Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 58 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. 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. 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 Đối tượng bảo vệ Điện trở phối hợp R P2 P1 Bảo vệ sơ cấp Bảo vệ thứ cấp Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 59 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 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. (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) Ls (nH) 70 0.1 0.01 10 350 1 3.2 Thiết bị TVS Diode D17 DIODE TVS D18 DIODE TVS BI-DIR Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 60 Phần tử TVS Diode sử dụng mô phỏng được chọn của hãng General Semiconductor mã hiệu 1N6303 với các thông số ở Bảng 2. Bảng 2. Thông số của TVS diode VBR (V) VC (V) IT (A) VRWM (V) IR (A) IPP (A) 180- 220 287 1.0 162 5.0 5.2 4. Sơ đồ thực hiện mô phỏng 4.1 Sơ đồ bảo vệ số 1 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. IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI TÀI LIỆU CỦA NHÀ SẢN XUẤT 1. Mô phỏng và so sánh sơ đồ 1 a/ Sơ đồ bảo vệ số 1 mô phỏng trên phần mềm PSPICE MẠCH PHÁT XUNG SÉT CHUẨN DT Đối tượng bảo vệ GDT Hình 3. Sơ đồ mạch phát xung sét chuẩn 10/700μs-5KV qua hai GDT 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 R TVS Đối tượng bảo vệ GDT MẠCH PHÁT XUNG SÉT CHUẨN 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- 5KV đựợc phát từ một máy phát xung cao áp. Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 61 Hình 5. Mạch tích hợp theo sơ đồ 1 của phần tử SLP10-K1F 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 7. Sơ đồ mạch phát xung sét chuẩn 10/700μs-5KV qua hai khâu bảo vệ 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 9. Mạch tích hợp theo sơ đồ 3 của phần tử HSP10-K230 Hình 10. Đáp ứng ngõ ra của sơ đồ bảo vệ số 2 theo xung chuẩn 10/700μs-5KV Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 62 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 các mô hình máy phát xung 10/700μs và đặc 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. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 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 2. K. Borgeest, J. L. ter Haseborg, Anders Larsson, Viktor Scuka: 3. ”Numerial Simulation of gas Discharge Protectors-A review”, IEEE Transaction on Power Delivery, vol 14, No 2, April 1999 4. 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.