Mô phỏng bảo vệ quá áp do sét lan truyền trên đường dây điện thoại

Nội dung text: Mô phỏng bảo vệ quá áp do sét lan truyền trên đường dây điện thoại

1. MÔ PHỎNG BẢO VỆ QUÁ ÁP DO SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI Tác giả: Quyền Huy Ánh - Khoa điện Đại học sư phạm kỹ thuật TPHCM Đỗ Bình Dương - Trung tâm Việt Đức E-mail: duongdb@yahoo.com Abtract: This paper represents about overvoltage protection againts surge transients caused by lightning on telephone lines. Most of common surge protection components are introduced. Especially, Thyristor surge protection device. Reaction characteristics of Gas discharge tube and Thyristor are simulated under diffirent lightning wareforms and amplitudes. Telecom standards for customer premise equipment and central office are included. I. GIÔÙI THIEÄU Ngaøy nay caùc thieát bò truyeàn döõ lieäu noùi chung ñaõ trôû neân raát deã nhaïy caûm vôùi caùc xung ñieän aùp vaø caùc quaù ñoä. Caùc IC, chip ngaøy caøng nhoû vaø coù ñieän aùp hoaït ñoäng thaáp neân chuùng raát deã bò hö hoûng bôûi caùc xung ñieän aùp. Moät soá coù theå bò hö hoûng vôùi xung ñieän aùp chæ khoaûng 20V. Coù nhieàu nguoàn gaây ra caùc xung ñieän aùp quaù ñoä taùc ñoäng vaøo ñöôøng truyeàn nhö caûm öùng do seùt, caûm öùng do ñöôøng daây AC, phoùng ñieän tónh ñieän ESD. Maëc duø thôøi gian taùc ñoäng laø raát ngaén nhöng chuùng coù naêng löôïng raát lôùn. Cô sôû haï taàng vieãn thoâng, ñaëc bieät laø heä thoáng 2 daây thöôøng ñi ngoaøi trôøi raát deã bò taùc ñoäng bôûi caùc nguoàn nhieãu treân, ñaëc bieät laø do seùt vaø caûm öùng do seùt. Caùc xung seùt laø nguoàn gaây quaù ñoä thöôøng gaëp nhaát trong caùc heä thoáng maùy tính hay vieãn thoâng. Doøng seùt coù theå chaïy trong caùc daây daãn do seùt ñaùnh hay ñi vaøo caùp ngaàm qua caùc doøng ñieän taûn trong ñaát. Bôûi vì ñöôøng daây ñieän thoaïi thöôøng duøng chung truï, chung tuyeán hay chung coïc noái ñaát vôùi ñöôøng daây AC neân thöôøng xuyeân xuaát hieän caùc doøng ñieän caûm öùng coù giaù trò coù theå ño ñöôïc treân daây Tip vaø Ring. Caùc quaù ñoä ñieän aùp hay doøng ñieän thöôøng xaûy ra treân ñöôøng daây ñieän thoaïi ôû hai daïng ñoù laø: quaù ñoä giöõa daây Tip, Ring vôùi ñaát (longitudinal) vaø quaù ñoä xaûy ra giöõa daây Tip vaø Ring (metallic). Caùc boä baûo veä thöôøng chia laøm 2 loaïi laø baûo veä thöù caáp vaø baûo veä sô caáp. Caùc boä baûo veä sô caáp coù khaû naêng chòu coâng suaát lôùn hôn nhieàu so vôùi caùc boä baûo veä sô caáp tuy nhieân chuùng coù ngöôõng taùc ñoäng keùm chính xaùc hôn. Caùc boä baûo veä sô caáp thöôøng laép ñaët ôû toång ñaøi hoaëc taïi ñaàu vaøo cuûa toøa nhaø vaø thöôøng laø taøi saûn cuûa coâng ty cung caáp dòch vuï, caùc boä baûo veä thöù caáp thöôøng laép ôû phía khaùch haøng thueâ bao. Caùc boä baûo veä thöù caáp thöôøng bao goàm caû baûo veä quaù doøng vaø quaù aùp. II. CAÙC PHAÀN TÖÛ BAÛO VEÄ Caùc thieát bò baûo veä thöôøng chia ra laøm 2 loaïi laø baûo veä quaù aùp vaø baûo veä quaù doøng. Caùc thieát bò baûo veä quaù aùp thöôøng duøng laø GDT (Gas Discharge Tube), MOV (Metal Oxide Varistor), TVS zener vaø Thyristor. Caùc thieát bò baûo veä quaù doøng laø caàu chì vaø PTC. Hieän nay, caùc Thyristor vaø PTC laø caùc phaàn töû baùn daãn baûo veä tin caäy nhaát trong caùc thieát bò ñieän töû vieãn thoâng. Trong phaïm vi baøi baùo chæ giôùi thieäu toùm taét moät soá ñaëc ñieåm cuûa caùc phaàn töû baûo veä quaù aùp: Trang 1
2.  GDT (Gas Discharge Tube) laø caùc oáng phoùng khí thöôøng coù daïng 2 cöïc vaø 3 cöïc. caùc ñieän cöïc ñöôïc giöõ ôû khoaûng caùch gaàn nhau vaø ñaët trong oáng coù ñaày khí. Khi coù ñieän aùp cao ñaët vaøo giöõa caùc ñieän cöïc vöôït quaù giaù trò ñònh möùc thì khí beân trong bò ion hoùa vaø xuaát hieän doøng ñieän chaïy qua caùc ñieän cöïc. Ôû traïng thaùi khoâng daãn (off) thì ñieän trôû cuûa oáng phoùng khí raát cao, nhöng khi daãn giaù trò ñieän trôû naøy giaûm xuoáng. Caùc GDT coù thôøi gian ñaùp öùng khaù chaäm nhöng coù theå giaûi thoaùt moät naêng löôïng xung khaù lôùn vaø coù ñieän dung khaù nhoû töø 1 ñeán 1,2pF. Tuy nhieân chuùng thöôøng bò hö hoûng sau vaøi traêm laàn taùc ñoäng.  MOV (Metal Oxide Varistor) laø phaàn töû baûo veä thoâng duïng, reû tieàn, beàn vaø khaû naêng daãn doøng naêng löôïng lôùn maø khoâng hö hoûng. Tuy nhieân sau moãi laàn MOV taùc ñoäng thì khaû naêng cuûa chuùng bò suy giaûm. Chuùng coù ñaùp öùng chaäm vaø keùm chính xaùc hôn so vôùi caùc phaàn töû baûo veä baùn daãn.  TVS diode (Transient Voltage Suppressor Diode) laø caùc diode ñöôïc cheá taïo ñaëc bieät duøng cho baûo veä quaù aùp. Chuùng coù ñaëc tính laø ñieän aùp hoaït ñoäng vaø ñieän aùp keïp thaáp, thôøi gian ñaùp öùng khaù nhanh khi taùc ñoäng.  TSPD (Thyristor Surge Protective Device) laø phaàn töû baûo veä coù caáu taïo baùn daãn tin caäy nhaát hieän nay. Chuùng ñöôïc duøng nhieàu trong caùc thieát bò ñieän töû vieãn thoâng duøng cho caùc muïc ñích baûo veä quaù aùp. Chuùng goàm coù 2 cöïc coù khaû naêng daãn doøng xung lôùn khi coù quaù aùp quaù ñoä giöõa hai cöïc. Trong heä thoáng maïng ñieän thoaïi vaø maùy tính thöôøng duøng caùc phaàn töû baûo veä quaù aùp laø GDT, MOV, TSPD, TVS diode. Trong maïng ñieän thoaïi ñieän aùp baûo veä cuûa caùc thieát bò naøy thöôøng töø 268V ñeán 350V. III. CAÙC TIEÂU CHUAÅN VIEÃN THOÂNG AÙP DUÏNG CHO ÑÖÔØNG DAÂY ÑIEÄN THOAÏI Do thieät haïi raát lôùn veà tieàn baïc xaûy ra khi dòch vuï bò ngöng hoaëc thieát bò maïng bò hö hoûng, caùc nhaø cung caáp dòch vuï ñieän thoaïi ñaõ ñöa ra nhieàu tieâu chuaån quy ñònh ñeå giuùp cho caùc saûn phaåm thieát bò vieãn thoâng coù ñoä tin caäy cao. Ôû Chaâu Aâu vaø vuøng Vieãn Ñoâng thöôøng duøng tieâu chuaån ITU-T K.20 vaø K.21. ÔÛ Baéc Myõ thöôøng duøng caùc tieâu chuaån GR 1089, TIA-968-A (tröôùc ñaây laø FCC part 68). Tieâu Chuaån GR 1089 ÔÛ Myõ, tieâu chuaån GR 1089 ñeà caäp veà “töông thích ñieän töø vaø caùc ñieàu kieän an toaøn cho caùc thieát bò trong maïng vieãn thoâng” (“Electromagnetic Compatibility and Electrical Safety Generic Criteria for Network Telecommunications Equipment) bao truøm caùc yeâu caàu ñoái vôùi caùc thieát bò vieãn thoâng keát noái ra ngoaøi qua caùp ñoâi daây xoaén. Tieâu chuaån naøy cuõng ñöa ra caùc ñieàu kieän baûo veä choáng seùt vaø nhieãu töø ñöôøng daây AC. Caùc tieâu chí cho caùc tieâu chuaån naøy döïa treân caùc ñieàu kieän quaù ñoä taïi nôi ñaët thieát bò, chaúng haïn nhö caùc thieát bò töø xa, caùc toång ñaøi, caùc thieát bò khaùch haøng maø coâng ty Trang 2
3. cung caáp dòch vuï phaûi coù caùc baûo veä ñieän aùp sô caáp ñeå giôùi haïn ñieän aùp quaù ñoä ôû 1000 V ñieän aùp ñænh khi quaù ñoä vaø 600 Vrms ñoái vôùi ñöôøng daây AC. Tieâu Chuaån ITU-T K.20 vaø K.21 Caùc tieâu chuaån cuûa hieäp hoäi vieãn thoâng quoác teá ITU (International Telecommunication Union) ñöôïc söû duïng ôû Chaâu Aâu vaø vuøng Vieãn Ñoâng vaø ITU-T laø nhaùnh caùc tieâu chuaån veà vieãn thoâng. Caùc tieâu chuaån kieåm tra goàm coù: Caùc xung seùt do seùt ñaùnh vaøo hoaëc gaàn ñöôøng caùp vaø thieát bò Caûm öùng trong thôøi gian ngaén cuûa ñieän aùp töø ñöôøng daây AC Tieáp xuùc tröïc tieáp cuûa ñöôøng daây AC vaø ñöôøng daây vieãn thoâng ITU-T K.20 laø tieâu chuaån aùp duïng cho caùc thieát bò noái vôùi toång ñaøi. K.21 bao goàm caùc yeâu caàu cho thieát bò vieãn thoâng ñöôïc laép ñaët ôû phía khaùch haøng. ITU-T söû duïng xung aùp 10/700s vôùi bieân ñoä 4kV, 1kV vaø1,5kV Tieâu Chuaån TIA-968-A (tröôùc ñaây laø chuaån Fcc part 68) TIA-968-A aùp duïng cho taát caû caùc thieát bò ñaáu noái vaøo maïng ñieän thoaïi coâng coäng PSTN (Public Switched Telephone Network). Muïc ñích cuûa TIA-968-A laø cung caáp caùc tieâu chuaån ñoàng nhaát ñeå baûo veä maïng ñieän thoaïi töø baát cöù caùc hö hoûng hay nhieãu gaây ra do keát noái cuûa caùc thieát bò (terminal equipment). Tieâu chuaån naøy cuõng bao goàm caùc taùc ñoäng cuûa moâi tröôøng nhö dao ñoäng, nhieät ñoä, ñoä aåm, ñieän aùp rôi, ñieän aùp vaø doøng ñieän nguy hieåm cuõng nhö caùc kieåm tra cho tín hieäu. Caùc xung aùp ñöôïc ñaët leân caû 2 cöïc tính döông vaø aâm treân 2 daây Tip vaø Ring trong taát caû caùc traïng thaùi hoaït ñoäng (ñang chôø maùy, heát chôø maùy, chuoâng ñang keâu ). Vôùi bieân ñoä 800V vaø1000V. IV. SÔ ÑOÀ BAÛO VEÄ TRONG MAÏNG ÑIEÄN THOAÏI Ñöôøng daây ñieän thoaïi laø moät phaàn trong caáu truùc haï taàng maïng vieãn thoâng hieän nay, heä thoáng 2 daây naøy ñi ngoaøi trôøi vaø raát deã bò aûnh höôûng cuûa caùc nhieãu gaây ra do seùt ñaùnh tröïc tieáp, caûm öùng hay do ñöôøng daây ñieän cao theá. Caùc nhieãu naøy taïo ra trong ñöôøng daây caùc ñieän aùp quaù ñoä taêng tröôûng raát nhanh tôùi haøng traêm, haøng ngaøn voân lan truyeàn treân ñöôøng daây ñieän thoaïi vaø chuùng coù theå chaïy vaøo maïch ñieän töû beân trong caùc maùy ñieän thoaïi, caùc thieát bò vieãn thoâng hay caùc modem vaø laøm hö hoûng caùc thieát bò naøy. TSPD Hình 1 Sô ñoà nguyeân lyù baûo veä ñöôøng daây ñieän thoaïi Taïi caùc toång ñaøi coù söû duïng caùc line card nhö SLIC (Subscriber Line Interface Circuit) vaø LCAS (Line Card Access Switch) ñöôïc noái tröïc tieáp vaøo ñöôøng daây ñieän thoaïi vaø do ñoù chòu aûnh höôûng nhieàu nhaát. Caùc thieát bò naøy ñoøi hoûi phaûi ñöôïc baûo veä chính xaùc vaø thöôøng söû duïng GDT ñeå baûo veä sô caáp vaø TSPD (Th1, 2) ñeå baûo veä thöù caáp. Trang 3
4. Taïi caùc toång ñaøi ngoaøi vieäc choáng seùt ñaùnh tröïc tieáp, ñaùnh treân ñöôøng daây caáp nguoàn haï aùp thì ngöôøi ta phaûi laép ñaët caùc thieát bò trieät xung aùp lan truyeàn ñeå baûo ñaûm raèng ngay caû caùc xung aùp nhoû cuõng khoâng gaây haïi cho thieát bò. Hình 2 Baûo veä linecard duøng caùc rôle baùn daãn V. KEÁT QUAÛ MOÂ PHOÛNG Caùc daïng soùng thöû coù thoâng soá theo baûng sau: Baûng 1 Caùc daïng xung seùt thöû vaø caùc tieâu chuaån töông öùng Tieâu chuaån Xung ñænh Daïng soùng Daïng thöû ITU-T K20 4kV 10/700s Giöõa Tip-Ring ITU-T K21 1kV 10/700s Giöõa Tip-Ring FCCpart 68 1500V 10/160s Giöõa Tip, Ring vôùi ñaát GR1089 2500V 2/10s Giöõa Tip-Ring Thoâng soá cuûa TSPD duøng cho moâ phoûng: VDRM(V) IH (mA) IDRM (A) VT (V) Ton 280 270 0.5 1,53 1ns Trong ñoù: VDRM ñieän aùp ôû traïng thaùi taét; IH doøng giöõ toái thieåu duy trì TSPD ôû traïng thaùi daãn; IDRM doøng roø; VT ñieän aùp rôi khi daãn; TON thôøi gian chuyeån maïch. Thoâng soá cuûa GDT duøng cho moâ phoûng: VBREAK VGLOW VARC IGLOW 800 V 80V 18 V 0.8 A Trong ñoù: VBREAK laø ñieän aùp taùc ñoäng, VGLOW ñieän aùp chaùy, VARC ñieän aùp hoà quang, IGLOW doøng duy trì söï chaùy Tieán haønh moâ phoûng Söû duïng caùc xung chuaån ôû baûng 1 ñeå tieán haønh moâ phoûng. Trong caùc maïch moâ phoûng söû duïng giaù trò ñieän trôû cuûa ñöôøng daây ñieän thoaïi ñöôïc choïn ñeå khaûo saùt laø 25Ω theo tieâu chuaån thöû ITU-T (RTIP = RRING). Vì giaù trò ñieän aùp cuûa maïng ñieän thoaïi coù theå leân ñeán 268,8V, do ñoù giaù trò ñieän aùp ôû traïng thaùi taét cuûa TSPD ñöôïc choïn moâ phoûng laø 280V. Trang 4
5. 4.0KV 300V 3.5KV 3.0KV 2.5KV 200V 2.0KV 1.5KV 1.0KV 100V 0.5KV 0V 0V 0s 100us 200us 300us 400us 500us 600us 700us V(R4:2) 0s 0.5us 1.0us 1.5us 2.0us Time V(R5:2) Time Hình 3 a .Xung seùt thöû 4kV 10/700ms theo UTU-T b. Keát quaû aùp ra sau TSPD 1.0KV 300V 0.8KV 0.6KV 200V 0.4KV 100V 0.2KV 0V 0s 200us 400us 600us 800us 0V V(R4:2) 0s 2.5us 5.0us Time V(R5:2) Time Hình 4 a.Xung seùt thöû 4kV 10/700ms theo UTU-T b. Keát quaû aùp ra sau TSPD 1.5KV 2.4KV 2.1KV 1.8KV 1.0KV 1.5KV 1.2KV 0.9KV 0.5KV 0.6KV 0.3KV 0V 0V 0s 50us 100us 0s 0.5us 1.0us 1.5us 2.0us V(R5:2) V(R5:1) V(U8:MT2) V(R3:2) Time Time Hình 5 Daïng soùng xung seùt thöø 1500V – 10/160s vaø 2500V-2/10s (ñöôøng cong phía treân vaø ñöôøng cong beân döôùi laø daïng soùng aùp ra sau TSPD) 4.0KV 1.0KV SONG XUNG SET DAU VAO 2.0KV 0.5KV SONG RA SAU GDT 0V 0V 0s 1.0us 2.0us 3.0us 4.0us 5.0us 0s 100us 200us 300us 400us 500usV(U48:1)600us 700us V(U48:1) V(R3:1) Time Time Hình 6 a.Xung seùt thöû vaø daïng soùngTSPD b.AÙp ra sau GDT VI. NHAÄN XEÙT – KEÁT LUAÄN * Ñoái vôùi TSPD - Caùc daïng soùng ra nhaän ñöôïc ôû TSPD cho thaáy khaû naêng caét xung quaù aùp cuûa TSPDø khaù chính xaùc. Vôùi TSPD coù VDRM laø 280V thì khi xung seùt Trang 5
6. taêng leân khoaûng 300V thì laäp töùc bò caét xuoáng giaù trò khoaûng 20-25V. Nhö vaäy thôøi gian chuyeån töø traïng thaùi off sang traïng thaùi taùc ñoäng cuûa caùc TSPD raát nhanh (nanoâgiaây), vaø ñaây chính laø öu ñieåm lôùn cuûa TSPD. - Thôøi gian töø khi ñieän aùp xung seùt taêng leân cho tôùi khi TSPD caét keùo daøi khoaûng töø 0,6s tôùi 1,7s tuyø thuoäc vaøo soùng xung thöû. - Khi TSPD caét xung seùt nhaän thaáy bieân ñoä ñieän aùp xung seùt ngoõ ra cuûa maïch phaùt xung bò suy giaûm khoaûng 300V- 400V, ñieàu naøy laø do aûnh höôûng cuûa ñieän trôû cuûa daây Tip vaø Ring coäng vôùi toång trôû cuûa nguoàn phaùt xung seùt. - Caùc TSPD caàn choïn coù giaù trò VDRM sao cho noù hoaøn toaøn khoâng taùc ñoäng khi ñöôøng daây coù möùc ñieän aùp cao nhaát khi ñang ñoå chuoâng. Vôùi 1 soá ñöôøng daây ñieän thoaïi khi ñang ñoå chuoâng thì ñieän aùp vaøo khoaûng 270V do ñoù khoâng theå söû duïng caùc TSPD 1 coù VDRM laø 240V. * Ñoái vôùi GDT: - Bieân ñoä cuûa xung seùt bò caét giaûm töø 4Kv xuoáng coøn khoaûng 920 V - Sau khi GDT taùc ñoäng vaãn coøn toàn taïi moät ñieän aùp dö khoaûng 100V. Nhö vaäy ñieän aùp dö naøy laø khaù lôùn so vôùi giaù trò ñieän aùp dö cuûa TSPD. Tuy nhieân chuùng chæ toàn taïi trong thôøi gian ngaén khoaûng vaøi traêm s roài taét. Daïng soùng ñieän aùp ra sau GDT coù daïng gaàn gioáng nhö daïng soùng ñaàu ra cuûa TSPD. Ñieàu naøy hoaøn toaøn chính xaùc bôûi vì GDT vaø TSPD ñöôïc xeáp vaøo moät nhoùm goïi laø nhoùm caùc thieát bò chuyeån maïch (Switching), chuùng coù daïng soùng khaùc haún so vôùi caùc thieát bò baûo veä quaù aùp baèng caùch keïp ñieän aùp (clamping) laø MOV vaø Zener TVS. VII. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO [1] Bourns.Inc, Selection guide telecom circuit protection ,2002 [2] Onsemi, Thyristor Theory and Design Considerations Handbook , HBD855/D Jun-2005 [3] Litellfuse, SIDAC application notes [4] Raychem Circuit Protection , Intrabuilding Protection Requirements Application Note [5] Agere System, Lightning protection for data line, October-1998 [6] Steven Boggs And Hideyasu Andoh, A statistical approach to prediction of zno arrester element characteristics, IEEE transactions on power delivery, vol. 16, no. 4, october 2001 [7] A.M. Gole, D.W. Durbak, E.H. Camm, Modeling Guidelines for Switching Transients, IEEE PES Switching Transients Task Force 15.08.09.03 [8] Daniel W. Durbak, Member, IEEE, Surge Arrester Modeling [9] Tomi Engdahl, Telephone line surge protection, ePanorama, 1996 [10] Tim Ardley, Protecting Plain Old Telephone Customer Premise Equipment with a TISP , 2003 [11] Kazimieras Maceika1, Lightning Protection of Electronic Data Processing Systems, Scientific Proceedings of RTU. Series 7. Telecommunications and Electronics, 2003, vol.3 Trang 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.