Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp

Óm ẮHiện nay, trên thị trường có nhiều loại thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trênđường tín hiệu công nghiệp của các hãng sản xuất khác nhau với các côngnghệ đa dạng.. Luận văn “Mô

LÝ LỊ OA R

Ngày, tháng, năm sinh: 10/11/1979 Nơi sinh: Kiên iang

ፆhỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 663/7 Mạc ፆửu, Phường ĩnh Quang,

p Rạch iá, tỉnh Kiên iang

iện thoại: 0919131040

E-mail: minhtuandkkg@gmail.com

1 rung cấp:

Hệ đào tạo: ፆhính quy hời gian đào tạo từ tháng 10/1997 đến tháng 7/ 2000

Nơi học (trường, thành phố): rường ፆao ẳng Kinh ế Kỹ huật Kiên iangNgành học: iện ፆông Nghiệp

Ngày 18 tháng 08 năm 2017

gười khai ký tên

Õ MRNH UẤN

L R Am OA

ôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

ፆác số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bất kỳ công trình nào khác

Kiên iang, ngày 18 tháng 08 năm 2017

Người cam đoan

Õ MRNH UẤN

HVTT: Võ Minh Tuấn R

L R Ảm Ơ

ôi xin chân thành cảm ơn hầy Quyền uy Ánh đã tận tình hướng

dẫn tôi hoàn thành luận văn này

ፆhân thành cảm ơn quí hầy/ፆô Khoa iện – iện tử rường ại học Sưphạm Kỹ thuật P.HፆM đã truyền đạt kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm, giúptôi tự tin tìm hiểu kiến thức chuyên ngành, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thànhkhoá học

à cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡcho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn!

Kiên iang, ngày 18 tháng 8 năm 2017

ác giả luận văn

Õ MRNH UẤN

Óm Ắ

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trênđường tín hiệu công nghiệp ( ) của các hãng sản xuất khác nhau với các côngnghệ đa dạng iệc lựa chọn và phương án bảo vệ có hiệu quả bảo vệ caothường gặp khó khăn do thiếu thông tin, thiếu kinh nghiệm và đặc biệt là không cócông cụ để đánh giá bằng đo đạt thực tế hay bằng phương pháp mô hình hóa và môphỏng

Luận văn “Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đườngtín hiệu công nghiệp” đã hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu đề ra, cụ thể:

 Khảo sát đặc điểm các loại đường truyền tín hiệu công nghiệp và tiêu chuẩnchống sét công nghiệp

 Lập thư viện mô hình các máy phát xung áp sét chuẩn 1.2/50s, 10/700s, máyphát xung dòng chuẩn 8/20s trong môi trường Matlab

 Xây dựng mô hình , Mm , Zener iode có mức tương đồng cao so vớinguyên mẫu, thể hiện ở độ chính xác của điện áp bảo vệ của mô hình và số liệucung cấp bởi nhà sản xuất khi thử nghiệm với các xung sét chuẩn (<0,62% đốivới , <3,3% đối với Mm , <7,5% đối với Zener iode)

 Xây dựng mô hình họ sản phẩm thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệucông nghiệp Hãng Erico có độ chính xác cao so với nguyên mẫu Sai số điện ápbảo vệ cao nhất là 4,7% và thấp nhất là 1.5%

 ፆác mô hình máy phát xung áp sét và xung dòng sét, cũng như mô hình cácphần tử bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp được xâydựng nêu trên có thể bổ xung vào thư viện của phần mềm Matlab, tạo điều kiệnthuận lợi cho các nghiên cứu về bảo vệ quá điện áp do sét cho các thiết bị côngnghiệp

ፆác kết quả nghiên cứu nêu trên tạo cơ sở cho các nhà nghiên cứu, các cơ quanthiết kế hệ thống bảo vệ chống sét trên đường tín hiệu công nghiệp có công cụ đểđánh giá hiệu quả bảo vệ của và phương án chống sét đề xuất, thỏa các chỉ

HVTT: Võ Minh Tuấn R

tiêu kỹ thuật; ngoài ra luận văn cũng được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho NፆS

và học viên cao học trong bài toán nghiên cứu về bảo vệ quá áp do sét trong môitrường công nghiệp

AB RA

At present, there are various types of lightning protection devices on theindustrial signaling lines (protective equipment) of different manufacturers withvarious technologies he choice of protective equipment and the protection schemewith high protection effectiveness are often difficult due to lack of information, lack

of experience and especially no tools for evaluation by actual measurement or bymodeling method and simulation

hesis "Modeling and Simulation of Surge Arrester on Rndustrial SignalingLine" has completed the research objectives set out, namely:

 Survey characteristics of industrial signal transmission lines and industriallightning protection standards

 Figure the pulse generator models of standard 1.2/50s, 10/700s pulse

generators, 8/20s standard pulse generator in the Matlab environment

 , Mm , Zener iode models have a high level of similarity to theprototype, expressed in the accuracy of model protection voltage and dataprovided by the manufacturer when tested with the pulse standard lightning(<0.62% for , <3.3% for Mm , <7.5% for Zener iode)

 uild a family of surge arrester products spread on the industrial signaling lineErico has a high degree of precision compared to the prototype he highestvoltage protection error is 4.7% and the lowest is 1.5%

 he models of lightning impulse and lightning impulse generators, as well asthe model of lightning protection elements spread on the industrial signalinglines, can be added to the Matlab software library, Facilitate the study ofovervoltage protection by lightning for industrial equipment

he above research results provide the basis for researchers and agencies todesign the lightning protection system on the industrial signaling line with tools toevaluate the protection effect of protective equipment and the lightning protectionscheme Proposing, meeting technical specifications; Rn addition, the thesis is also

HVTT: Võ Minh Tuấn RRR

used as a reference for Ph student and graduate students in the study of surgearrester protection in industrial environments

mỤ LỤ

LÝ LỊፆH KHmA HỌፆ R LỜR ፆAM mAN RRR LỜR ፆẢM ƠN R

ÓM Ắ

A S RAፆ RR M﹘ፆ L﹘ፆ RX ANH SoፆH ፆoፆ ፆHỮ RẾ Ắ XRR ANH SoፆH ፆoፆ HÌNH XRRR ANH SoፆH ፆoፆ ẢN X RR ፆHƯƠN 1: MỞ ẦU 1

1.1 ính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 ፆác bước tiến hành 3

1.5 iểm mới của luận văn 3

1.6 iá trị thực tiễn của luận văn 3

1.7 Nội dung của luận văn 4

ፆHƯƠN 2: ፆoፆ LmRR ƯỜN RUYỀN ÍN HRỆU ፆÔN N HRỆP 슐 RÊU 5

ፆHUẨN ፆHỐN SÉ 5

2.1 ፆác loại đường truyền tín hiệu công nghiệp 5

2.1.1 RS-485 và giao diện PRmFR US 5

2.1.2 iao diện 24 5

2.1.3 iao diện 11 5

2.1.4 iao diện Y 6

2.1.5 -LAN-ፆat.6 + 6

2.2 iêu chuẩn chống sét 6

2.2.1 iêu chuẩn REEE 6

2.2.1.1 iêu chuẩn REEE ፆ62.41.1 6

2.2.1.2 iêu chuẩn REEE ፆ62.41.2 6

2.2.1.3 iêu chuẩn REEE ፆ62.45 8

HVTT: Võ Minh Tuấn X

2.2.1.4 iêu chuẩn REEE 1100 8

2.2.1.5 iêu chuẩn REEE 1692 8

2.3 iêu chuẩn UL 9

2.3.1 iêu chuẩn UL 1449-1987 9

2.3.2 iêu chuẩn UL 1449-1996 9

2.3.3 iêu chuẩn UL 1449-2009 9

2.3.4 iêu chuẩn UL497, UL497A, UL 497 9

2.4 iêu chuẩn NFPA 780 9

2.5 iêu chuẩn NEMA LS-1 9

ፆHƯƠN 3: MÔ HÌNH MoY PHo XUN ፆHUẨN 10

3.1 ፆác dạng xung sét tiêu chuẩn 10

3.1.1 ፆác thông số của xung áp sét tiêu chuẩn 10

3.1.2 ፆác thông số của xung dòng sét tiêu chuẩn 11

3.2 Mô hình máy phát xung sét 12

3.2.1 Mô hình máy phát xung dòng 12

3.2.2 Mô hình máy phát xung áp 14

3.3 Mô phỏng các dạng xung sét tiêu chuẩn 16

3.3.1 Máy phát xung dòng 8/20 s và dạng sóng mô phỏng 16

3.3.2 Máy phát xung áp 1.2/50 s và dạng sóng mô phỏng 17

3.3.3 Máy phát xung áp 10/700 s và dạng sóng mô phỏng 19

ፆHƯƠN 4: 20

HRẾ Ị ፆHỐN SÉ LAN RUYỀN RÊN ƯỜN ÍN HRỆU ፆÔN N HRỆP 20

4.1 ፆấu tạo và nguyên lý làm việc chung 20

4.2 hiết bị chống sét trên đường tín hiệu công nghiệp U 21

1 U Single Pair (U -SP) 21

2 U Single Pair Rsolated round (U -SP ) 22

3 U ual Pair (U - P) 22

4 U ual Pair -Single Power Supply, Single ata Pair (U - PS) 23

4.3 ፆác thông số chính 23

4.4 iều kiện lựa chọn 24

ፆHƯƠN 5: XÂY ỰN MÔ HÌNH ፆHỐN SÉ LAN RUYỀN RÊN ƯỜN 25

ÍN HRỆU ፆÔN N HRỆP 25

5.1 ፆác loại mô hình ống phóng khí ( - as ischarge ube) 25

5.1.1 ፆấu tạo 25

5.1.2 Mô hình ống phóng khí đơn 26

1 Sơ đồ nguyên lý ống phóng khí đơn 26

2 Xây dựng sơ đồ khối mô hình ống phóng khí đơn 28

5.1.3 Mô hình ống phóng khí đôi 30

5.1.4 Kiểm tra độ chính xác của mô hình ống phóng khí đề xuất 31

5.2 iến trở oxide kim loại Mm 32

5.2.1 ፆấu tạo 32

5.2.2 Xây dựng mô hình Mm hạ thế 34

5.2.3 Xây dựng mô hình điện trở phi tuyến trên Matlab 35

5.2.4 Xây dựng mô hình Mm hạ thế hoàn chỉnh trên Matlab 37

5.2.5 Kiểm tra đáp ứng Mm hạ thế với xung dòng chuẩn 40

5.3 iode zener triệt xung quá áp 43

5.3.1 ፆấu tạo và đặc tính 43

5.3.2 Mô hình S Zener iode 46

5.3.3 Kiểm tra mô hình 47

5.4 Mô hình thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp 51

5.4.1 Mô hình thiết bị U -SP 51

5.4.2 Mô hình thiết bị U -SP 53

5.4.3 Mô hình thiết bị U - PS 55

5.5 iải pháp bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp 57

5.5.1 ị trí lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền 57

5.5.2 ፆhọn thiết bị cho một vị trí chỉ định 58

ፆHƯƠN 6: KẾ LUẬN 슐 HƯỚN N HRÊN ፆỨU PHo RRỂN 59

슐R LRỆU HAM KHẢm 60

- SS ( ransient oltage Surge Suppressors): hiết bị triệt xung quá áp.

- NFPA (National Fire Protection Association):Hiệp hội ፆhống cháy Quốc gia

- NEMA (National Electrical Manufacturers Association): Là tổ chức thương mạiquốc gia lớn nhất của các nhà sản xuất sản phẩm điện

- U Single Pair (U -SP): hiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu côngnghiệp, có chức năng bảo vệ một cặp dây cân bằng

- U Single Pair Rsolated round (U -SP ): hiết bị chống sét lan truyền trênđường tín hiệu công nghiệp, có chức năng bảo vệ một cặp dây độc lập nối đất

- U ual Pair (U - P): hiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu côngnghiệp, có chức năng bảo vệ hai cặp dây cân bằng ây là thiết bị bảo vệ chống sétlai đa tầng

- U ual Pair -Single Power Supply, Single ata Pair (U - PS): hiết bị

U - PS là thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp, có chứcnăng bảo vệ một cặp dây cân bằng; đồng thời bảo vệ một cặp dây cấp nguồn

- ( as ischarge ube): Ống phóng khí

- Mm (Metal mxide aristor): iến trở oxide kim loại

- iode Zener S ( iode Zener - ransient oltage Suppression): iode zener triệt xung quá áp

DA Á Á Ì

Hình 2.1 ạng xung áp 1.2/50μs, điện áp hở mạch 7Hình 2.2 ạng xung dòng 8/20μs, dòng điện ngắn mạch 7Hình 2.3 Xung điện áp tắt dần tần số 100kHz - iện áp hở mạch 8Hình 3.1 ạng xung điện áp sét tiêu chuẩn 11Hình 3.2 ạng xung dòng sét tiêu chuẩn 11Hình 3.3 Mô hình máy phát xung dòng sét 12Hình 3.4 Sơ đồ mạch phát xung áp 14Hình 3.5 iai đoạn đầu sóng của dạng sóng áp 15Hình 3.6 hời gian toàn sóng 16Hình 3.7 Mô hình máy phát xung dòng 3kA 8/20 s 17Hình 3.8 Máy phát xung dòng 3kA 8/20

s 177

Hình 3.9 Mô phỏng dạng sóng xung dòng 3kA 8/20s 17Hình 3.10 Mô hình máy phát xung áp 5k 1.2/50 s 18Hình 3.11 Máy phát xung áp 5k 1.2/50

s 188

Hình 3.12 Mô phỏng dạng sóng xung áp 5k 1.2/50 s 18Hình 3.13 Máy phát xung áp 5k 10/700s 19Hình 3.14 ạng sóng mô phỏng xung áp 5k 10/700s 19Hình 4.1 ፆấu tạo cơ bản của thiết bị chống sét lan truyền 20trên đường tín hiệu công nghiệp 20Hình 4.2 ፆấu tạo thiết bị U - SP 21Hình 4.3 ፆấu tạo thiết bị U - SP 22Hình 4.4 ፆấu tạo thiết bị U - P 22Hình 4.5 ፆấu tạo thiết bị U - PS 23Hình 5.1 Mặt cắt ngang của ống phóng điện khí 26Hình 5.2 hời gian đáp ứng của ống phóng điện khí 26Hình 5.3 Sơ đồ tương đương của ống phóng khí đơn 27Hình 5.4 Sơ đồ khối điều khiển Sፆ 28

HVTT: Võ Minh Tuấn XR

Hình 5.5 Khai báo các thông số trong reaker 29Hình 5.6 Sơ đồ mô hình ống phóng điện đơn trong MA LA 29Hình 5.7 iao diện Mask Editor trong MA LA 30Hình 5.8 ạo biểu tượng cho mô hình ống phóng khí đơn trong MatLab 30Hình 5.9 iểu tượng ống phóng khí đơn 30Hình 5.10 Mô hình ống phóng khí đôi 31Hình 5.11 Sơ đồ mô phỏng điện áp dư của ống phóng điện khí 21-A230X 31của Siemens, ứng với điện xung 5k 10/700us 31Hình 5.12 ạng sóng điện áp dư của ống phóng điện khí 21-A230X 32của Siemens, ứng với xung 5k 10/700s 32Hình 5.13 Mặt cắt ngang của Mm 33Hình 5.14 Mô hình Mm hạ thế 34Hình 5.15 ặc tính – R của Mm có sai số mL  10% 35Hình 5.16 Sơ đồ mô hình điện trở phi tuyến = f(R) của Mm 36Hình 5.17 Sơ đồ mạch tương đương của mô hình Mm đề nghị 37Hình 5.18 iểu tượng mô hình Mm hạ thế 38Hình 5.19 Hộp thoại khai báo biến Parameters của mô hình Mm hạ thế 38Hình 5.20 Hộp thoại Rnitialization của mô hình Mm hạ thế 39Hình 5.21 Hộp thoại thông số mô hình Mm hạ thế 40Hình 5.22 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của Mm hạ thế 40Hình 5.23 iện áp dư và dòng điện qua mô hình S20K25 41ứng với xung 0.5kA 8/20µs 41Hình 5.24 iện áp dư và dòng điện qua mô hình Mm khi mô phỏng Mm 14E25P với xung 0.5kA 8/20µs 42Hình 5.25 Mặt cắt ngang Hình 5.26 ፆác dạng khuôn mẫu S 43của iode Zener 43Hình 5.27 ạng sóng điện áp kẹp của Zener S 44Hình 5.28 ặc tính năng lượng xung đỉnh của họ Zener S 44Hình 5.29 hép Zener iode với 2 diode 46

Hình 5.30 iao diện nhập thông số Zener iode 47Hình 5.31 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của S Zener iode 47Hình 5.32 iện áp ổn áp của P4KE15A với xung áp 5k 10/700us 48Hình 5.33 iện áp ổn áp của P4KE6,8A với xung áp 5k 10/700s 48Hình 5.34 iện áp ổn áp của ZY91ፆ15với xung áp 5k 10/700s 49Hình 5.35 iện áp ổn áp của ZY91ፆ7 5 với xung áp 5k 10/700s 50Hình 36 Sơ đồ mạch mô phỏng đáp ứng của thiết bị U 51Hình 5.37 Kết quả mô phỏng đáp ứng của thiết bị U -15SP 51Hình 5.38 Kết quả mô phỏng đáp ứng của thiết bị U -30SP 52Hình 5.39 Kết quả mô phỏng đáp ứng của thiết bị U -60SP 52Hình 5.40 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của thiết bị U 30_SP 53Hình 5.41 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của thiết bị U 30-SP 54Hình 5.42 Sơ đồ mô phỏng đáp ứng của thiết bị U 30_ PS 55Hình 5.43 Kết quả mô phỏng đáp ứng của thiết bị U 30- PS 56Hình 5.44 rình bày giải pháp tổng thể chống sét lan truyền trên 57đường tín hiệu công nghiệp 57

HVTT: Võ Minh Tuấn X R

ảng 3.1 hông số các phần tử trong mạch phát xung dòng sét dạng sóng 8/20s 14ảng 3.2 hông số các phần tử trong máy phát xung áp với các dạng khác nhau 15ảng 5.1 iện áp dư của 32ảng 5.2 hông số kỹ thuật Mm hạ thế 41ảng 5.3 Kết quả so sánh khi mô phỏng Mm hạ thế của Hãng A X 42ảng 5.4 hông số kỹ thuật S Zener iode của Hãng ishay 48ảng 5.5 Kết quả so sánh khi mô S Zener iode của Hãng ishay 49ảng 5.6 hông số kỹ thuật S Zener iode của Hãng Littelfuse 49ảng 5.7 Kết quả so sánh khi mô phỏng Zener iode của Hãng Littelfuse 50ảng 5.8 hông số kỹ thuật của thiết bị U -SP 51ảng 5.9 So sánh điện áp bảo vệ với các thiết bị U -SP của Hãng Erico 52ảng 5.10 hông số kỹ thuật U -SP của Hãng Erico 53ảng 5.11 So sánh điện áp bảo vệ với các thiết bị U -SP của Hãng Erico 54ảng 5.12 hông số kỹ thuật U - PS của Hãng Erico 55ảng 5.13 So sánh điện áp bảo vệ với các thiết bị U 30- PS của Hãng Erico 56

Ơ 1 mỞ Ầㄠ

1.1 ính cấp thiết của đề tài

iệt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm gió mùa, khí hậu iệtNam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét Số ngày có dông ởiệt Nam thuộc loại khá lớn (trung bình khoảng 100 ngày dông/năm)

Quá điện áp và quá trình quá độ do sét là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cốlàm ngưng dịch vụ và làm hư hỏng các thiết bị lắp đặt trên đường tín hiệu côngnghiệp Nên việc đề ra các giải pháp chống sét, lựa chọn, phối hợp các thiết bị bảo

vệ phù hợp và nghiên cứu chế tạo thiết bị chống sét đóng vai trò rất quan trọngtrong việc hạn chế những rủi ro thiệt hại do sét gây ra [1]

hực tế, mạng truyền tải tín hiệu công nghiệp không truyền tải công suất lớnnhưng lại trải trên diện rộng và cung cấp tín hiệu trực tiếp cho các công trình, mạngcông nghiệp nên nó lại là nguyên nhân dẫn sét vào công trình gây mất tín hiệutruyền tải, ngừng dịch vụ, hư hỏng thiết bị hống kê cho thấy, hậu quả không mongmuốn của quá áp do sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp gây ra thiệt hạirất lớn và nhiều lúc không thể đánh giá cụ thể được ấn đề được đề cập một cáchcấp bách trong những năm gần đây, khi các trang thiết bị điện tử đã trở thành cácthiết bị được sử dụng ngày càng nhiều và rất phổ biến trong các tòa nhà, các côngtrình ở mọi lĩnh vực như đường tín hiệu công nghiệp, bưu chính viễn thông, phátthanh, truyền hình,… ፆác thiết bị này vốn rất nhạy cảm với điện áp cao và cáchđiện dự trữ của chúng rất mong manh, vì thế cần phải tính toán lựa chọn, phối hợp

và kiểm tra các thiết bị bảo vệ chống sét một cách hiệu quả, chính xác để tránh xảy

ra hư hỏng cho các thiết bị này [1]

o các thiết bị chống sét là thiết bị phi tuyến cho nên việc đánh giá các đáp ứngngõ ra ứng với sóng sét lan truyền với mức chính xác cao theo phương pháp giảitích truyền thống gặp nhiều khó khăn ên cạnh đó, do nước ta vẫn còn bị hạn chế

về trang thiết bị thí nghiệm cao áp, số lượng phòng thí nghiệm cao áp còn khiêm tốnnên rất khó khăn cho công tác thiết kế, nghiên cứu bảo vệ chống sét lan truyền trênđường tín hiệu công nghiệp tại iệt Nam

HVTT: Võ Minh Tuấn 2

Hiện nay, các nhà nghiên cứu và một số nhà sản xuất thiết bị chống sét lan truyềntrên đường truyền tín hiệu một số phần mềm mô phỏng hỗ trợ đã đề ra một số môhình thiết bị chống sét lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng môhình khác nhau uy nhiên, do đặc điểm của phương pháp mô hình hóa, 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 các thiết bị chống sét lan truyềntrên đường tín hiệu vẫn còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển

ì vậy, việc đề ra các giải pháp phòng chống sét và lựa chọn các thiết bị chốngsét phù hợp ፆần bảo vệ thiết bị khỏi các tác hại quá điện áp do sét, việc nghiêncứu về mô hình máy phát xung sét, các dạng xung sét, thiết bị chống sét lan truyềntrên đường tín hiệu công nghiệp, đồng thời xem xét việc phối hợp các phần tử bảo

vệ này để có hiệu quả bảo vệ cao nhất trong từng trường hợp o đó giảm được sự

hư hỏng các trang thiết bị, giảm tổn thất trong kinh tế ừ đó, thực hiện lựa chọn đềtài: “mô hình hóa và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường tín

hiệu công nghiệp”.Hiệu quả bảo vệ của phương án để xuất được kiểm chứng thông qua

mô hình hóa mô phỏng trong MatLab/Simulink

1.2 mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

 Khảo sát đặc điểm các loại đường truyền tín hiệu công nghiệp và tiêu chuẩnchống sét công nghiệp

 Lập mô hình các máy phát xung áp sét chuẩn và máy phát xung dòng chuẩn8/20s trong môi trường Matlab

 Xây dựng mô hình , Mm , iode Zener có mức tương đồng cao so vớinguyên mẫu

 Xây dựng mô hình thiết bị chống xét lan truyền trên đường tín hiệu côngnghiệp

 iải pháp bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp

1.3 hạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu chức năng và hướng dẫn sử dụng phần mềm Matlab, đặc biệt làcông cụ Simulink và hộp công cụ Sim Power lokset

 Nghiên cứu, xây dựng mô hình nguồn phát xung áp sét tiêu chuẩn dạng sóngchuẩn 1.2/50s, 10/700s, và máy phát xung dòng sét chuẩn 8/20s trong môitrường Matlab.

 Xây dựng mô hình thiết bị chống xét lan truyền trên đường tín hiệu côngnghiệp

 iải pháp bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp

1.4 ác bước tiến hành

 hu thập, chọn lọc tài liệu liên quan cần thiết

 ổng hợp và phân tích các tài liệu sau khi đã chọn lọc

 Khảo sát các ứng dụng bổ trợ của phần mềm dự kiến thực hiện

 Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét trong và ngoài nước

 Nghiên cứu thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệu côngnghiệp

 ánh giá, kết luận

1.5 iểm mới của luận văn

 Xây dựng trong môi trường Matlab mô hình các phần tử bảo vệ , Mm ,iode Zener được sử dụng trong thiết bị chống sét lan truyền trên đường tínhiệu công nghiệp có độ chính xác cao phù hợp với các kết quả thử nghiệm vềcác thông số kỹ thuật của nhà sản xuất [2]

 Khảo sát đặc điểm các loại đường truyền tín hiệu công nghiệp và tiêu chuẩnchống sét công nghiệp

 Xây dựng mô hình thiết bị chống xét lan truyền trên đường tín hiệu côngnghiệp [3]

 iải pháp, đánh giá thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệucông nghiệp [3]

1.6 iá trị thực tiễn của luận văn

 ፆung cấp mô hình các máy phát xung áp sét, máy phát xung dòng sét tiêuchuẩn và mô hình các phần tử bảo vệ chống sét lan truyền trên đường tín hiệu

HVTT: Võ Minh Tuấn 4

công nghiệp trong môi trường Matlab phục vụ công tác nghiên cứu đáp ứng củathiết bị chống sét lan truyền dưới tác động của xung sét và đánh giá hiệu quảbảo vệ của hệ thống chống sét

 Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo có giá trị cho những ai quan tâmtới việc nghiên cứu, lựa chọn, phối hợp và kiểm tra hiệu quả các thiết bị bảo vệchống sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp trong điều kiện thiếuphòng thí nghiệm hiện nay

1.7 ội dung của luận văn

Nội dung của luận văn gồm 6 chương:

ፆhương 1: Mở đầu

ፆhương 2: ፆác loại đường truyền tín hiệu công nghiệp và các tiêu chuẩnchống sét

ፆhương 3: Mô hình máy phát xung chuẩn

ፆhương 4: hiết bị chống sét lan truyền trên đường tín hiệu công nghiệp.ፆhương 5: Xây dựng mô hình thiết bị chống sét trên đường tín hiệu công

nghiệp

ፆhương 6: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển

ài liệu tham khảo

Ơ 2

2.1 ác loại đường truyền tín hiệu công nghiệp

2.1.1 R -485 và giao diện ROFRBㄠ

RS-485 giao diện nối tiếp được sử dụng trên bitbus Rntel và có liên quan chặt chẽvới RS-422 ruyền dữ liệu đối xứng này thường có chức năng thông qua một cặpdây tín hiệu ፆác phiên bản với hai cặp dây tín hiệu và mặt đất cũng được sử dụng.rong hệ thống cũ, các tín hiệu điện áp của giao diện này lên tới mặt đất -7 và

12 rong các hệ thống mới, một phiên bản với mức L, ví dụ, +/- 5 được sửdụng

ፆác giao diện PRmFR US là một phát triển hơn nữa của giao diện RS-485 Nó sửdụng các đặc tính vật lý của RS-485, nhưng với tốc độ truyền lên đến 12 Mbps ፆácgiao diện này là -SU cắm đính kèm cho RN rail gắn hoặc RN module đườngsắt với các khối thiết bị đầu cuối vít thường được sử dụng như một thiết bị bảo vệ

2.1.2 iao diện V.24

ፆác 24 hoặc RS-232 giao diện nối tiếp làm việc với một tín hiệu truyền dẫnkhông đối xứng Một truyền và một nhận tín hiệu đều có một tiềm năng tham chiếuchung (mặt đất) Ngoài ra, đến năm tín hiệu điều khiển có thể được truyền đi iềunày mang lại tối đa là tám tín hiệu tích cực bao gồm cả mặt đất Kết nối thường làthông qua -SU 25, -SU 9 hoặc thiết bị đầu cuối

2.1.3 iao diện V.11

ፆác 11 hoặc RS-422 giao diện nối tiếp hoạt động trên cơ sở truyền dẫn tín hiệuđối xứng ፆác đường truyền có thể lên đến 1000m iệc truyền và nhận tín hiệuđược truyền qua mỗi một đôi dây tín hiệu Ngoài ra, một mặt đất được định tuyếnnhư một tiềm năng tham khảo, do đó điều kiện điện áp được xác định ưu tiên ápdụng tại các giao diện kết nối

HVTT: Võ Minh Tuấn 6

2.1.4 iao diện Y

iao diện Y làm việc nối tiếp và đối xứng qua hai cặp dây tín hiệu Khi mộtđiện áp tín hiệu lên đến 24 xảy ra, một tín hiệu hiện đang được phân tích Ở đây,10-30mA là logic 1 và 0-1mA logic 0 ốc độ truyền dữ liệu tiêu chuẩn là 9,6kbpshoặc 19,2kbps

2.2.1 iêu chuẩn REEE

2.2.1.1 iêu chuẩn REEE 62.41.1

iêu chuẩn REEE ፆ62.41.1 “Hướng dẫn về môi trường sóng xung ở điện áp thấp(1000 và thấp hơn) trong mạch điện xoay chiều”, cung cấp thông tin toàn diện vềsóng xung và môi trường mà chúng xảy ra ፆác hướng dẫn trong tiêu chuẩn này tạothành cơ sở cho tiêu chuẩn thử nghiệm sóng xung qui định bởi REEE và đượckhuyến nghị cho bất kỳ sự xem xét lại các đặc tính sóng xung

iêu chuẩn REEE ፆ62.41.1 cũng có giá trị như một nguồn dữ liệu ghi lại các sựkiện sóng xung ፆác loại quá áp tạm thời cũng được thảo luận, bao gồm tác độngtiềm ẩn của chúng tới SP

2.2.1.2 iêu chuẩn REEE 62.41.2

iêu chuẩn REEE ፆ62.41.2 “Khuyến nghị cụ thể về đặc tính của sóng xung ởđiện áp thấp (1000 và thấp hơn) trong mạch điện xoay chiều” trình bày các đềxuất để lựa chọn dạng sóng xung và các biên độ xung điện áp và xung dòng điệnđược sử dụng để đánh giá khả năng miễn nhiễm và hiệu suất thiết bị của SP ፆácHình 2.1, Hình 2.2 và Hình 2.3 trình bày các dạng sóng xung đề xuất bởi tiêu chuẩnREEE ፆ62.41.2

ình 2.1 ạng xung áp 1.2/50μs, điện áp hở mạch

ình 2.2 ạng xung dòng 8/20μs, dòng điện ngắn mạch.

HVTT: Võ Minh Tuấn 8

iện áp xung loại thứ hai của tiêu chuẩn REEE ፆ62.41.2 là dạng xung điện áp tắtdần tần số 100kHz

ình 2.3 Xung điện áp tắt dần tần số 100kHz - iện áp hở mạch.

2.2.1.3 iêu chuẩn REEE 62.45

iêu chuẩn REEE ፆ62.45 “Khuyến nghị cụ thể trong thử nghiệm sóng xung chothiết bị kết nối với điện áp thấp (1000 và thấp hơn) trong mạch điện xoay chiều”

mô tả trình tự thử nghiệm sóng xung sử dụng dạng sóng đơn giản làm đại diện (mô

tả trong tiêu chuẩn REEE ፆ62.41.2) để có được độ đo lường tin cậy và tăng cường

an toàn cho người vận hành

2.2.1.4 iêu chuẩn REEE 1100

iêu chuẩn REEE 1100 “ፆấp nguồn và nối đất cho thiết bị điện tử” cung cấphướng dẫn về SP s và cung cấp các thảo luận về ảnh hưởng của các sóng xung và

sự bảo vệ chống lại các sóng xung đó

2.2.1.5 iêu chuẩn REEE 1692

iêu chuẩn REEE 1692 “Hướng dẫn REEE về bảo vệ các công trình truyền thôngtránh khỏi ảnh hưởng của sét, cung cấp các hướng dẫn thiết kế để giúp ngăn chặn

hư hỏng thiết bị truyền thông bên trong công trình do sét đánh

2.3 iêu chuẩn ㄠL

2.3.1 iêu chuẩn ㄠL 1449-1987

iêu chuẩn UL 1449 -1987 “ hiết bị triệt xung quá điện áp” hướng dẫn các thửnghiệm an toàn, thử nghiệm điện áp thông qua ứng với xung tiêu chuẩn qui định bởitiêu chuẩn REEE ፆ62.41

2.3.2 iêu chuẩn ㄠL 1449-1996

iêu chuẩn UL 1449 -1996 qui định các thử nghiệm an toàn bổ xung, thử nghiệmvới các tiêu chuẩn khác đang được sử dụng để nâng cao mức an toàn của sản phẩm,thử nghiệm điện áp thông qua ứng với xung dòng 10kA (REEE ፆat.ፆ3)

2.3.3 iêu chuẩn ㄠL 1449-2009

iêu chuẩn UL 1449 -2009 thay đổi thuật ngữ SS bằng thuật ngữ SP và thaytên tiêu chuẩn UL 1449 thành ANSR/UL 1449, thêm 4 loại sản phẩm SP bao gồm:chống sét van (Surge Arrester), thiết bị triệt xung quá áp ( SS), thiết bị ngắt xung(Surge rip) và các thành phần của SP

2.3.4 iêu chuẩn ㄠL497, ㄠL497A, ㄠL 497B

iêu chuẩn UL 497 đề cập đến vấn đề an toàn cho các thiết bị bảo vệ chống séttrên đường thoại, cho các thiết bị chống sét trên đường viễn thông/đường truyền dữliệu

2.4 iêu chuẩn F A 780

Qui phạm về bảo vệ chống sét khi sử dụng thiết bị bảo vệ chống xung sét tại ngõvào của công trình

2.5 iêu chuẩn EmA L -1

iêu chuẩn NEMA LS-1 qui định các đặc tính của thiết bị bảo vệ xung đột biến

do sét bao gồm thông số vật lý và thông số vận hành

HVTT: Võ Minh Tuấn 10

3.1 ác dạng xung sét tiêu chuẩn

ể thử nghiệm hiệu quả bảo vệ của các thiết bị chống sét trên đường tín hiệucông nghiệp, cần phải đo thử điện áp bảo vệ ứng với xung sét tiêu chuẩn

ፆác xung sét tiêu chuẩn này được qui định trong các tiêu chuẩn về bảo vệ chốngquá áp của các thiết bị bảo vệ xung đột biến do sét

3.1.1 ác thông số của xung áp sét tiêu chuẩn

a hời gian đầu sóng 1

hời gian đầu sóng 1 của xung sét là giá trị được xác định bằng 1,67 lần khoảngthời gian giữa các thời điểm xung là 30% và 90% của giá trị đỉnh Hình 3.1

b hời gian toàn sóng 2

hời gian toàn sóng 2 của xung sét là giá trị được xác định bằng khoảng thờigian giữa điểm gốc giả định m1và thời điểm khi điện áp đã giảm tới nửa giá trị đỉnh

c iểm gốc giả định O1

iểm gốc giả định m1 là giao điểm của đường thẳng ngang qua các điểm chuẩn30% và 90% trên đầu sóng với trục thời gian

d Xung sét tiêu chuẩn

Là xung sét được tiêu chuẩn hóa, ví dụ xung 10/700s là một xung sét toàn sóng

có thời gian đầu sóng 10s và thời gian nửa sóng 700s

e Dung sai

 hời gian tới nửa giá trị sóng: 20%

ình 3.1 ạng xung điện áp sét tiêu chuẩn 3.1.2 ác thông số của xung dòng sét tiêu chuẩn

a hời gian đầu sóng 1

hời gian đầu sóng 1 của dòng điện xung sét giá trị được xác định bằng 1,25 lầnkhoảng thời gian giữa các thời điểm khi xung là 10% và 90% của giá trị đỉnh Hình 3.2

b hời gian toàn sóng 2

hời gian toàn sóng 2của dòng điện xung sét là giá trị được xác định bằng khoảngthời gian giữa điểm gốc giả định m1và thời điểm khi điện áp giảm tới nửa giá trị đỉnh

c iểm gốc giả định O 1

iểm gốc giả định m1là giao điểm của đường thẳng ngang qua các điểm chuẩn 10%

và 90% trên đầu sóng với trục thời gian

d Dung sai

 hời gian tới nửa giá trị sóng: 10%

ình 3.2 ạng xung dòng sét tiêu chuẩn

2 1

50%

m1 A

2

1

m1 A

HVTT: Võ Minh Tuấn 12

3.2 mô hình máy phát xung sét

3.2.1 mô hình máy phát xung dòng

Mô hình máy phát xung dòng có thể được thay thế bằng mô hình mạch đơn giản trìnhbày ở Hình 3.3, với ፆ đặc trưng cho điện dung giữa mây và đất, sự phóng điện qua đườngdẫn gồm điện cảm L nối nối tiếp với điện trở R

Nguyên lý hoạt động của mô hình như sau:

ፆông tắc S ở vị trí (1) nạp điện áp vào tụ điện ፆ òng điện xung được điềuchỉnh bằng cách thay đổi trị số điện áp nạp iện áp nạp càng cao, năng lượng nạpW=1/2ፆU2càng lớn

S

0

2

ình 3.3 Mô hình máy phát xung dòng sét

ፆông tắc S chuyển sang vị trí (2) xung quá độ sẽ phóng qua mạch Mạch phátxung dòng là một mạch RLፆ nối tiếp Kết quả giải bài toán quá độ này như sau:

C L , xung dòng không dao động

Mẫu số có hai nghiệm phân biệt:

2 2 2

2 2 1

(

/ )

(

2

s s

L U s

I





t e e

R L

R t

LC L

R L

R t

1 4

2 1

1 4

2 1

2 2 2

2 2 1

te e

U t

i( )   và giá trị Rmax=

L

C e U

 Khi R< 2

C L , xung dòng dao động theo công thức:

t e

L

U t

3.2.2 mô hình máy phát xung áp

Mạch máy phát xung áp sét có ngõ ra hở mạch và có cấu tạo trình bày ở Hình 3.4.ፆác phần tử R, L, ፆ cũng được tính chọn tương tự như trên

ình 3.4 Sơ đồ mạch phát xung áp