Nghiên cứu và lập mô hình mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn hạ áp và đường tín hiệu

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN NGỌC ÂU NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP VÀ ĐƯỜNG TÍN HIỆU CHUYÊN NGÀNH: K

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN NGỌC ÂU

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG

CẤP NGUỒN HẠ ÁP VÀ ĐƯỜNG TÍN HIỆU

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ NGÀNH:

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, tháng 12 năm 2002

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA - o0o -

-

NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN CAO HỌC

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Khóa: 2000

I-TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP VÀ ĐƯỜNG TÍN HIỆU II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

ƒ Nghiên cứu cấu tạo và tính năng thiết bị chống lan truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu

ƒ Lập mô hình và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu

ƒ Lập mô hình thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn

ƒ Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của thiết bị

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20-05-2002

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20-12-2002

V- HỌ VÀ TÊN CÁC BỘ HƯỚNG DẪN: TS QUYỀN HUY ÁNH

VI- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1: TS NGUYỄN HỮU PHÚC

VII- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2:TS NGUYỄN CHU HÙNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2

TS QUYỀN HUY ÁNH TS NGUYỄN HỮU PHÚC TS.NGUYỄN CHU HÙNG

Nội dung Đề cương Luận văn đã được thông qua Hội Đồng Chuyên Ngành

Tp.HCM, ngày tháng 12 năm 2002

TS NGUYỄN HỮU PHÚC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS QUYỀN HUY ÁNH

CÁN BỘ PHẢN BIỆN I: TS NGUYỄN HỮ U PHÚC CÁN BỘ PHẢN BIỆN II: TS NGUYỄN CHU HÙNG

LUẬN VĂN CAO HỌC ĐƯỢC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN CAO HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM , 21/01/2003

CÓ THỂ TÌM HIỂU LUẬN ÁN TẠI:

-THƯ VIỆN CAO HỌC TRƯỜNG ĐẠI BÁCH KHOA TP.HCM

LỜI CẢM TẠ

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Ts Quyền Huy Ánh, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vô cùng quí giá và dìu dắt em trong quá trình thực hiện luận văn

Xin vô cùng biết ơn Ba Mẹ và gia đình đã vất vả nuôi con khôn lớn, tạo mọi điều kiện để con được học tập cho đến ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy Cô đã giảng dạy, truyền đạt tri thức giúp

em trưởng thành trong nghề nghiệp và tự tin trong cuộc sống

Xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy cô Phòng Quản Lý và Đào Tạo Sau Đại Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hcm đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt khóa học

Xin chân thành cảm ơn Ban Chủ Nhiệm, Thầy cô, anh em, bạn bè đồng nghiệp tại Khoa Điện-Điện Tử, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Thủ Đức Tp.HCM đã giúp đỡ động viên, tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập giúp em hoàn thành luận văn

Xin chân thành cảm ơn các anh chị học viên cao học ngành hệ thống điện và kỹ thuật điện khoá 11 đã đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện luận văn

TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

-

Họ và tên: NGUYỄN NGỌC ÂU Gíới tính: Nam

Đại chỉ liên lạc:

Cơ quan:

Bộ Môn Điện Khí Hoá Và Cung Cấp Điện

Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Số 03 Võ Văn Ngân- Thủ Đức Tp.HCM Tel: (08)8960985; Fax:

Nhà riêng: 190/9 Xô Viết Nghệ Tĩnh , P.26, Quận Bình Thạnh, Tp.HCM

Mobile tel: 0913855335

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1992-1998: Học Đại Học tại Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

2000-2002: Học Cao Học tại Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, Ngành Kỹ Thuật Điện

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

-10/1998 – 07/2001: Giảng Viên Bộ Môn Cơ Điện, Khoa Cơ Giới , Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

-07/2001-nay: Giảng Viên Bộ Môn Điện Khí Hoá &ø Cung Cấp Điện, Khoa Điện-Điện Tử, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đeÀ ……… 1

II Nhiệm vụ của luận án……… 2

III Phạm vi nghiên cứu ……… 2

IV Các bước tiến hành ……… 2

V Điểm mới của luận án ……… 3

VI Giá trị thực tiễn của đề tài ……… 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ SÉT I Sự hình thành sét ……… 4

II Các hiệu ứng thứ cấp do sét gây ra……… 8

III Các thông số của sét lan truyền ……… 9

IV Thiệt hại do sét lan truyền ……… 10

CHƯƠNG II CẤU TẠO THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP VÀ ĐƯỜNG TÍN HIỆU I Điện trở phi tuyến (mov-metal oxide varistor) ……… 12

1 Cấu tạo ……… 12

2 Tính năng hoạt động của biến trở ZnO ……… 14

3 Đặc tính V-I ……… 18

4 Sơ đồ tương đương ……… 19

5 Thời gian đáp ứng ……… 22

6 Năng lượng cho phép ……… 23

II Diode zener ……… 25

1 Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện ……… 25

2 Đặc tính của diode zener ……… 30

3 Trở kháng ……… 32

4 Hệ số nhiệt độ ……… 34

5 Công suất suy hao ……… 34

6 Điện dung của diode zener ……… 35

7 Đặc tính kẹp điện áp của diode zener……… 37

III MẠCH LỌC LC ……… 38

IV THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN ……… 39

IV.1 Yêu cầu chung……… 39

IV.2 Thiết bị cắt sét ……… 39

1 Cấu tạo……… 39

2 Các thông số kỹ thuật cơ bản……… 40

3 Điều kiện lựa chọn thiết bị cắt sét……… 41

IV.2 Thiết bị lọc sét ……… 41

1 Cấu tạo……… 41

2 Các thông số kỹ thuật cơ bản……… 42

3 Điều kiện lựa chọn thiết bị lọc sét……… 42

IV THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG TÍN HIỆU ……… 42

1 Cấu tạo……… 42

2 Các thông số kỹ thuật cơ bản……… 43

3 Điều kiện lựa chọn thiết bị cắt sét……… 43

CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP ĐO THỬ CÁC THAM SỐ ĐIỆN ĐỐI VỚI THIẾT BỊ BẢO VỆ XUNG ĐỘT BIẾN (SPD) BẰNG BÁN DẪN I Xung sét qui định theo tiêu chuẩn ……… 44

I.1 Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng điện áp xung sét ……… 44

I.2 Định nghĩa đối với thử nghiệm bằng dòng điện xung sét ……… 44

I.3 Dạng sóng xung tắt dần ……… 45

II Tiêu chuẩn áp dụng ……… 46

III Mô hình máy phát xung sét ……… 47

IV Phương pháp đo điện áp dư cho thiết bị bảo vệ xung đột biến ……… 51

IV.1 Qui trình thử nghiệm xác định điện áp bảo vệ……… 51

IV.2 Phương pháp đo điện áp dư cho thiết bị bảo vệ xung đột biến ……… 52

CHƯƠNG IV MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG NGUỒN HẠ ÁP VÀ ĐƯỜNG TÍN HIỆU I Mục đích mô phỏng ……… 53

II Giới thiệu phần mềm mô phỏng ORCAD PSPICE A/D……… 53

III Mô hình các phần tử của thiết bị chống sét lan truyền……… 54

III.1 Mô hình tụ điện ……… 54

III.2 Mô hình cuộn dây ……… 55

III.3 Mô hình điện trở ……… 57

III.4 Mô hình diode ……… 59

III.5 Mô hình MOV ……… 60

IV Mô phỏng thiết bị cắt sét……… 61

VI.1 Mục đích mô phỏng……… 61

VI.2 Cách thức tiến hành ……… 61

VI.3 Mô phỏng thiết bị cắt sét đơn chế độ ……… 61

3.1 Mô tả thiết bị ……… 61

3.2 Kết quả mô phỏng ……… 62

3.3 Nhận xét ……… 63

VI.4 Mô phỏng thiết bị cắt sét đa chế độ ……… 63

3.1 Mô tả thiết bị ……… 63

3.2 Kết quả mô phỏng ……… 64

3.3 Nhận xét ……… 64

V Mô phỏng thiết bị lọc sét ……… 73

V.1 Mục đích mô phỏng ……… 73

VI.2 Cách thức tiến hành ……… 73

VI.3 Mô phỏng thiết bị lọc sét ……… 73

3.1 Mô tả thiết bị ……… 73

3.2 Kết quả mô phỏng ……… 74

3.3 Nhận xét ……… 74

VI Mô phỏng hành vi của MOV đơn khối và MOV đa khối ……… 77

VI.1 Đặt vấn đề ……… 77

VI.2 Mô phỏng thiết bị cắt sét theo công nghệ đơn khối và đa khối ……… 77

2.1 Mục đích mô phỏng……… 77

2.2 Mô tả mô hình thiết bị thử ……… 77

2.3 Cách thức tiến hành ……… 78

2.4 Kết quả mô phỏng……… 74

2.5 Nhận xét……… 80

VII Mô phỏng thiết bị cắt sét trên đường tín hiệu……… 86

VII.1 Mục đích mô phỏng ……… 86

VII.2 Cách thức tiến hành ……… 86

VII.3 Mô phỏng thiết bị cắt sét trên đường tín hiệu……… 86

3.1 Mô tả thiết bị ……… 77

3.2 Nhận xét ……… 77

3.2.1 Thiết bị chống sét cho đường dây thuê bao ……… 87

3.2.2 Thiết bị chống sét cho đường dây truyền số liệu……… 87

CHƯƠNG KẾT LUẬN Kết luận ……… 94

Hướng phát triển tương lai ……… 95 PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

I ĐẶT VẤN ĐỀ

II NHIỆM VỤ CỦA LUẬN ÁN

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU

IV CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH

V ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

VI GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI VII NỘI DUNG LUẬN ÁN

I 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 nhiều 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 và lựa chọn thiết bị bảo vệ phù hợp đóng vai trò rất quan trọng Tuy nhiên, do việc 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 nên 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,… Một trong các phương pháp 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 xung sét định trước là sử dụng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng

Ngày nay, mô hình hoá và mô phỏng đã xâm nhập tất cả các lĩnh vực hàng đầu như 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 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 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 nhà sản xuất thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn đã đi sâu nghiên cứu và đề ra mô hình thiết bị chống lan truyền với mức độ chi tiết và quan điểm xây dựng mô hình khác nhau Một số phần mềm mô phỏng cũng đã hổ trợ xây dựng mô hình các thiết bị chống sét Tuy 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 các phần tử chống sét lan truyền vẫn còn nhiều tranh cãi và tiếp tục nghiên cứu phát triển

Một điều đáng quan tâm là 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 2 đến 5 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 hổ 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 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, cũng như máy phát xung sét chuẩn

Luận văn này đi sâu vào lãnh vực mô hình hoá và mô phỏng các thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp với mong muốn cung cấp công cụ giúp hiểu biết sâu hơn về các thiết bị chống sét trên đường nguồn hạ áp 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

II 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 thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu

3 Lập mô hình thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn

4 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả bảo vệ của thiết bị

III 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 Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét lan truyền trong và ngoài nước

3 Mô hình hoá và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn ở mạng hạ áp và đường tín hiệu

4 Nghiên cứu các phần mềm hổ trợ có thể tìm thấy tại Việt Nam

IV Các bước tiến hành

1 Thu thập tài liệu và nghiên cứu phần mềm hổ trợ ORCAD SPICE A/D

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

3 Nghiên cứu cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền ở mạng hạ áp và đường tín hiệu

4 Lập mô hình các phần tử của thiết bị chống sét lan truyền ở mạng hạ áp và đường tín hiệu

5 Lập mô hình thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn

6 Thực thi mô hình

7 Đánh giá tính năng và hiệu quả bảo vệ của thiết bị

V Điểm mới của luận án

ƒ Lập mô hình các thiết bị chống sét trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu

ƒ Lập mô hình các thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn

ƒ Chỉ ra hệ số dự trữ cần thiết cho thiết bị cắt sét theo công nghệ đa khối với sai số điện áp ngưỡng và biên độ dòng xung sét định trước

VI Giá trị thực tiễn của đề tài

Các giá trị cụ thể của đề tài có thể được đơn cử như sau:

ƒ Mô hình các phần tử của thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu sẽ là công cụ giúp cho công tác học tập và nghiên cứu trong lĩnh vực chống sét, giúp hiểu rõ sự tương tác giữa các thành phần cấu thành thiết bị cũng như toàn bộ thiết

bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu tại Việt Nam

ƒ Tài liệu và kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để phục vụ nghiên cứu ở mức cao hơn

VII Nội dung luận án

Chương 1: Tổng quan về sét

Chương 2: Cấu tạo thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp và đường tín hiệu Chương 3: Nghiên cứu các tiêu chuẩn chống sét và xây dựng mô hình các thiết bị phát xung sét tiêu chuẩn

Chương 4: Mô hình mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn hạ áp và

đường tín hiệu

Chương 5: Kết luận

Phụ lục và tài liệu tham khảo

ChươngI trình bày khái quát về sự hình thành sét, các thông số của sét và thiệt hại do sét lan truyền gây ra đối với các lĩnh vực trọng điểm của đất nước

CHÖÔNG I TOÅNG QUAN VEÀ SEÙT

I SỰ HÌNH THÀNH SÉT [7]

Trong những điều kiện khí tượng nhất định sẽ có sự phân chia điện tích trong các đám mây dông do tác dụng của luồng khí nóng thổi lên và hơi nước ngưng tụ trong các đám mây (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với luồng không khí lạnh nặng (dông front), khi đó dông bão và sấm chớp sẽ xảy ra

Sét là một dạng phóng điện tia lửa trong khí quyển với khoảng cách rất lớn Quá trình phóng điện có thể xảy ra trong khí quyển giữa các đám mây mang điện trái dấu và giữa các đám mây với đất

Sau khi đạt độ cao nhất định vùng không khí này bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ thành những giọt nước li ti hoặc thành những tinh thể băng và tạo thành các đám mây dông Các đám mây mang điện là kết quả của sự phân tích các điện tích trái dấu và tập trung trong các phần khác nhau của đám mây

Kết quả quan trắc cho thấy rằng phần dưới của các đám mây dông chủ yếu là chứa các điện tích âm, do đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ (hình 1.1 sự phân bố điện tích giữa đám mây dông và mặt đất) Cường độ điện trường trung bình nơi đồng nhất thường ít khi quá 1KV/cm, nhưng cá biệt nơi mật độ điện tích cao, hoặc nơi có vật dẫn điện tốt nhô lên cao trong mặt đất điện trường cục bộ có thể cao hơn nhiều và có thể đạt đến ngưỡng ion hóa không khí (ở mặt đất trị số này 25-30KV/cm và càng lên cao càng giảm, ở độ cao một vài kilomét giảm còn khoảng 10KV/cm) sẽ gây ion hóa không khí tạo thành dòng plasma, mở đầu cho quá trình phóng điện sét giữa mây dông và mặt đất

Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách phóng điện rất lớn Chiều dài trung bình của khe sét khoảng 3 ÷ 5 Km, phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây dông Quá trình phóng điện của sét tương tự quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn (hình 1.2 Sự phát triển của sét trong đám mây dông)

Hình 1.1 Sự phát triển của sét trong đám mây dông.

Quá trình phóng điện sét gồm có 3 giai đoạn chủ yếu:

Bắt đầu bằng một tia tiên đạo sáng mờ, phát triển thành từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình (105 – 106)m/s Đấy là giai đoạn phóng điện từng đợt Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện khoảng (1013 –1014) ion/m3 Một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh và phân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó (hình 1.3a) Thời gian phát triển của tia tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1μs (tương ứng với tia tiên đạo dài thêm trung bình được khoảng vài chục mét đến vài trăm mét) Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng (30 –90)μs Dưới tác dụng của điện trường và tạo nên bởi điện tích của mây dông, điện tích âm trong kênh tiên đạo sẽ tập trung điện tích cảm ứng trái dấu trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dông, các điện tích chủ yếu tập trung ở vùng có điện dẫn cao như các tòa nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt trong mưa… chính các vùng điện tích tập trung sẽ định hướng phát triển của tia tiên đạo hướng xuống Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn phát triển của nó được xác định bởi điện tích bản thân của kênh và điện tích tích tụ của đám mây Đường đi của kênh giai đoạn này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất và các vật thể ở mặt đất, nó hướng thẳng về phía mặt đất Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao nào đó ( độ cao định hướng) thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng của sự tập trung điện tích ở mặt đất và ở các vật dẫn nhô cao khỏi mặt đất đối với hướng phát triển tiếp tục của kênh Kênh sẽ phát triển theo hướng có cường độ điện trường lớn nhất Như vậy vị trí đổ bộ của sét mang tính chọn lọc Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật chống sét đánh thẳng cho các công trình

Khi tia tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất hoặc tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu (hình 1.3b) Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất ( hoặc giữa hai đầu kênh tiên đạo ngược) cường độ điện trường tăng cao gây ion hóa mãnh liệt không khí, dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mới, có mật độ điện tích cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của kênh tiên đạo (1016 –1019)ion/m3, điện dẫn của nó cũng tăng lên hàng trăm ngàn lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn vào dòng ngược trung hòa điện tích âm của kênh tiên đạo trước đây và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất, làm cho cường độ điện trường ở khu vực tiếp giáp của hai dòng plasma ngược chiều nhau tăng lên gây ion hóa mãnh liệt không khí ở khu vực này và như vậy đầu dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo kênh có sẵn bởi kênh tiên đạo Tốc độ của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5.107 – 1,5.108m/s tức là nhanh gấp trăm lần tốc độ

Hình 1.2 Sự phát triển của sóng điện sét trong đám mây dông

phát triển của dòng tiên đạo (hình 1.3c) Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên phóng điện chủ yếu sáng chói (đó chính là tia chớp), sự dãn nở đột ngột của không khí bao quanh kênh phóng điện chủ yếu tạo nên những đợt sóng âm mãnh liệt gây nên tiếng nổ (đó là tiếng sấm) Đặc điểm quan trọng nhất của phóng điện chủ yếu là cường độ dòng điện lớn Nếu V là tốc độ của phóng điện chủ yếu, σ mật độ điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chủ yếu lên đến đám mây dông và bằng Is = σV (hình 1.3d) Giai đoạn kết thúc được đánh dấu khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì điện tích cảm ứng từ mặt đất trung hoà với điện tích âm của nó, một phần nhỏ của số điện tích còn lại của đám mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên chỗ sét đánh một dòng điện có trị số nhất định, giảm dần tương ứng phần đuôi của xung dòng sét

Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng một đợt phóng điện sét thường xảy ra nhiều lần kế tiếp nhau, trung bình là 3 lần, nhiều nhất có thể vài ba chục lần Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt như lần đầu), không phân nhánh và theo quĩ đạo lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn (2.106 m/s) Sự phóng điện nhiều lần của sét được giải thích như sau : đám mây dông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao nhất Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu thế giữa các trung tâm điện tích này với trung tâm điện tích khác thực tế không thay đổi và ít có ảnh

hưởng qua lại giữa chúng, nhưng khi kênh phóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm

Hình 1.3 Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian

(a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo

(b) Tia tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt

(c) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu

(d) Phóng điện chủ yếu kết thúc

điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điện thế của đất làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phóng với trung tâm điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với nhau Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất định do sự khử ion chưa hoàn toàn nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo đó, liên tục và với tốc độ cao hơn lần đầu (hình 1.4)

Hình 1.4 Quá trình phát triển của phóng điện sét.

II CÁC HIỆU ỨNG THỨ CẤP DO SÉT GÂY RA [30]

-Quá độ dòng điện đột biến trong đất

-Quá điện áp khí quyển

-Xung đột biến điện từ

Quá độ dòng điện trong đất: quá trình trung hòa ion hình thành sự di chuyển điện tích cảm ứng dọc theo hoặc gần trên bề mặt đất đến điểm sét đánh vào Bất kỳ vật dẫn nào chôn gần trong vùng điện tích cảm ứng sẽ tạo nên một đường dẫn nữa đến điểm sét đánh gần nhất Vì quá trình phóng điện xảy ra rất nhanh ( 20μs) và tốc độ gia tăng đến đỉnh cực nhanh khoảng 50ns nên điện áp cảm ứng sẽ rất cao (hình 1.5)

Sét lặp lại trên đất có thể kéo theo các hiệu ứng:

-Hồ quang có thể hình thành và xuyên qua lớp sỏi đến gần các ống dẫn khí, cáp hoặc hệ thống nối đất

-Dòng xung đột biến có thể ghép cảm ứng qua lớp sỏi đến hệ thống nối đất hiện hành, gây nên hiện tượng gia tăng điện áp không đồng thời trên hệ thống nối đất

Quá điện áp khí quyển: quá điện áp khí quyển xảy ra khi sét đánh thẳng hoặc đánh gần gây cảm ứng trên đường dây Xung đột biến tĩnh điện là kết quả trực tiếp của sự biến đổi trường tĩnh điện trong các đám mây mang điện Các đường dây treo trên không( có thể là đường dây phân phối, đường dây thoại (hình 1.6)…) nằm trong trường tĩnh điện này sẽ được tích điện và thế có thể lên đến hành trăm KV Khi phóng điện sét xảy ra, điện tích đi xuống đường dây tìm đường dẫn xuống đất Bất kỳ thiết bị nào nối đến đường dây cũng sẽ là đường dẫn xuống đất, nếu không được bảo vệ thì thiết bị sẽ bị hư hỏng do quá trình trung hòa này Tất cả các đối tượng mang tính kim loại, đặc biệt là hình dạng mũi nhọn đưa lên thẳng trong trừơng tĩnh điện này thì nó hình thành một điện thế cao so với đất Nếu không được nối đất có thể gây đánh lửa, cháy và phá vỡ các phần tử nhạy cảm

Hình 1.5 Quá độ dòng điện trong đất

Xung đột biến điện từ: xung đột biến điện từ là kết quả của quá độ từ trường hình thành do dòng chảy trong kênh phóng điện sét Sau khi sét đánh kênh dẫn điện hình thành giữa mây và đất, nó trở thành một đường dẫn giống như là dây dẫn Dòng trung hòa này chảy rất nhanh, tốc độ của nó phụ thuộc vào trở kháng kênh dẫn và điện tích đám mây Tốc độ gia tăng của dòng xung này có thể lên đến 500KA/μs và trung bình là 100KA/μs Kết quả là điện áp ghép cảm ứng trên đường dẫn là rất đáng kể

Khi điện tích các đám mây cực lớn, tia tiên đạo từng bậc đi xuống gần đất gặp dòng điện ngược đi lên và sét lặp lại xảy ra Sét lặp lại phát ra xung điện từ rất mạnh và nó có thể truyền trên một khoảng cách dài, ảnh hưởng đến một vùng rộng lớn Vì vậy, đường dây truyền tải hoặc đường dây dữ liệu trên không sẽ bị thiệt hại nếu như không được bảo vệ do sự xâm nhập của xung đột biến điện từ

Hiệu ứng xung đột biến điện từ gây ra cũng như trong trường hợp dòng điện đi vào hệ thống đất với tốc độ biến thiên di/dt rất nhanh tạo điện trường cảm ứng đến bất kỳ hệ thống dây dẫn nằm trong đất và năng lượng của nó có thể làm ảnh hưởng chí ít là làm nhiễu loạn các dữ liệu trên đường dây

III CÁC THÔNG SỐ CỦA SÉT LAN TRUYỀN [1]:

Việt Nam là một nước nằm trong khu vực nhiệt đới ẩm, có địa hình đồi núi và đồng bằng xen kẽ, khí hậu Việt Nam rất thuận lợi cho việc phát sinh, phát triển của dông sét Số ngày dông có ở Việt Nam trên nhiều khu vực thuộc loại khá lớn Dòng điện sét như hình 1.1, có dạng một sóng xung Trung bình trong khoảng vài ba microgiây, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó giảm xuống chầm chậm trong khoảng 20-100μs, tạo nên phần đuôi sóng Sự lan truyền sóng điện tạo nên bởi dòng điện sét gây nên quá điện điện áp trên đường nguồn, do đó cần phải biết những tham số chủ yếu và xác xuất xuất hiện của nó (chi tiết về thông số và dạng xung sét được trình bày ở chương III)

-Biên độ dòng sét -Độ dốc đầu sóng dòng điện sét

-Độ dài sóng dòng điện sét ( thời gian cho đến khi dòng điện sét giảm xuống còn ½ biên độ của nó)

Hình 1.6 Quá điện áp khí quyển do sét đánh thẳng hoặc đáng gần đường dây

Ngoài ra cần phải biết cường độ hoạt động trung bình của sét là số ngày có dông trung bình hoặc tổng số giờ có dông sét trung bình trong một năm ở mỗi khu vực lãnh thổ và mật độ trung bình sét trong khu vực đó

Số ngày dông cực đại là 113,7 ngày (tại Đồng Phú), số giờ dông cực đại 433,18 giờ tại Mộc Hóa Tại Việt Nam, sét có cường độ mạnh ghi nhận được bằng dao động ký tự động có biên độ Imax = 90,67kA ( Số liệu của Viện Nghiên Cứu Sét Gia Sàng Thái Nguyên)

Cường độ xung sét cảm ứng trên đường nguồn điện rất cao, có thể đạt tới 250KA Tuy nhiên dòng sét vượt quá 130KA rất ít xảy ra, thường trung bình khoảng 30KA Hơn 75% các tia sét lập lại sau tia sét đầu tiên 30-200μs.Trung bình có 3 đến 20 tia sét lập lại được ghi nhận bằng máy

đo sét ( bảng A1 NZS/AS 1768-1991) Bên cạnh năng lượng và dòng sét cao, vấn đề lớn cần quan tâm là tốc độ tăng dòng di/dt của sét có thể dẫn đến quá áp trên đường truyền Dạng sóng của sét được đặc trưng bởi biên độ sóng, độ dốc đầu sóng và thời hằng đuôi sóng Thời gian tăng áp và dòng của sét đến biên độ cực đại trong khoảng 1-100μs với tia sét đầu tiên và 0,1- 1μs với các tia sét lập lại, thời gian suy giảm đến phân nữa biên độ cực đại trong khoảng 20-350μs với các tia sét đầu tiên và 5-50μs với các tia sét lập lại Tốc độ tăng dòng có thể đạt tới 70KA/μs đối với tia sét đầu tiên và vượt quá 200KA/μs đối với các tia sét tiếp theo Tốc độ tăng áp đo được đạt tới 12KV/μs

Hình 1.7 Dạng sóng dòng điện sét

IV THIỆT HẠI DO SÉT LAN TRUYỀN

Sự cảm ứng quá điện áp, quá trình quá độ do sét đánh, các hậu quả của đóng cắt mạch điện, sự cố lưới điện… và nhiều hiện tượng khác là một trong nhiều nguyên nhân làm hư hỏng các trang thiết bị động lực, các máy vi tính, các thiết bị trong mạng lưới thông tin viễn thông… mà trong quá trình vận hành rất khó phát hiện Qua thống kê cho thấy rằng trên 70% các sự cố về thông tin liên lạc, về máy vi tính… là do sét đánh lan truyền hay ghép cảm ứng theo đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu …

Nhiều vấn đề đã được đề cập một cách cấp bách trong những năm gần đây vì các trang thiết bị điện tử đã trở thành các trang thiết bị sử dụng ngày càng nhiều và rất phổ biến, mạng lưới vi tính đã phát triển rộng khắp và nhiều ngành công nghiệp đã được đặt hệ thống điều khiển và thông tin liên lạc sử dụng các linh kiện điện tử

Năm 2001, theo thống kê [8] đối với ngành Bưu Chính Viễn Thông có 53 sự cố do sét, chiếm 27,13% sự cố viễn thông và tổng thời gian mất liên lạc do sét là 716 giờ gây thiệt hại 4.119 tỷ

đồng Với đặc thù trải rộng khắp cả nước, bao gồm hàng ngàn tổng đài, trạm viễn thông với hàng trăm loại thiết bị khác nhau, nguy cơ sét đánh vào mạng viễn thông là rất cao và việc phòng chống sét là hết sức khó khăn Hiện tại toàn bộ các trạm viễn thông đã được lắp đặt hệ thống chống sét rất đa dạng về chủng loại và mục đích lắp đặt là dẫn dòng sét xuống đất, sao cho điện áp còn lại đủ thấp, an toàn cho thiết bị Thực tế và lý thuyết cho thấy rằng hiệu quả phòng tránh sét phụ thuộc vào nhiều yếu tố, không chỉ chất lượng thiết bị mà còn chất lượng lắp đặt, chăm sóc bảo dưỡng Nhiệm vụ chống sét còn chưa quan tâm đúng mức và ở nhiều nơi đã buông lỏng quản lý nên lựa chọn đối tượng phòng tránh chưa hết, đề xuất biện pháp chưa đạt hiệu quả cao Hàng loạt sự cố là do điện áp cảm ứng dẫn về trạm trung tâm qua đường dây cáp treo trên các cột cao, cột anten …

Hậu quả không mong muốn do sét lan truyền hoặc do quá điện áp thường gây thảm họa cho công ty và xí nghiệp, 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… Điều không chỉ dẫn đến kết quả là các trang thiết bị có giá trị buộc phải được thay thế mà còn gây tổn thất kinh tế do phải nghỉ, không vận hành trong thời gian phát hiện và khắc phục sửa chữa, và mất nhiều cơ hội kinh doanh

Theo dự đoán của các nhà khí tượng thủy văn, trước mắt và trong các năm tới nữa diễn biến thời tiết sẽ rất phức tạp Vì vậy việc khảo sát, thống kê, thử nghiệm để đánh giá hiệu quả và chất lượng các thiết bị chống sét trên đường cấp nguồn và đường tín hiệu, nhằm bảo đảm chỉ tiêu lắp đặt những thiết bị có hiệu quả thực tế là điều thiết thực và cấp bách

Chương II trình bày chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động phần tử biến trở ôxýt kim loại (MOV) và diode zener (SAD) 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 hiệu

CHƯƠNG II CẤU TẠO THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN

TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP VÀ ĐƯỜNG TÍN HIỆU

I ĐIỆN TRỞ PHI TUYẾN (MOV-METAL OXIDE VARISTOR)

II DIODE ZENER

III MẠCH LỌC L-C

IV THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG CẤP NGUỒN HẠ ÁP

V THIẾT BỊ CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN TRÊN ĐƯỜNG TÍN HIỆU

I ĐIỆN TRỞ PHI TUYẾN (MOV)

MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị phi tuyến, phụ thuộc vào điện áp mà hành vi về điện giống như hai diode đấu ngược lại (back –to –back) Với đặc tính đối xứng, đặc tính vùng đánh thủng (về điện) rất dốc cho phép MOV có tính năng khử xung quá độ đột biến hoàn hảo (hình 2.1) Trong điều kiện bình thường biến trở là thành phần có trở kháng cao gần như hở mạch Khi xuất hiện xung đột biến quá áp cao, MOV sẽ nhanh chóng trở thành đường dẫn trở kháng thấp để triệt xung đột biến Phần lớn năng lượng xung quá độ được hấp thu bởi MOV cho nên các thành phần trong mạch được bảo vệ tránh hư hại

Hình 2.1 Cấu trúc của biến trở và đặc tính V-I

Thành phần cơ bản của biến trở là ZnO với thêm một lượng nhỏ bismuth, cobalt, manganses và các ôxít kim loại khác Cấu trúc của biến trở bao gồm một matrận hạt dẫn ZnO nối qua biên hạt cho đặc tính tiếp giáp P-N của chất bán dẫn Các biên này là nguyên nhân làm cho biến trở không dẫn ở điện áp thấp và là nguồn dẫn phi tuyến khi điện áp cao

1 Cấu tạo

MOV được chế tạo từ ZnO Mỗi một hạt ZnO của ceramic hoạt động như tiếp giáp bán dẫn tại vùng biên của các hạt Các biên hạt ZnO có thể quan sát được qua hình ảnh vi cấu trúc của ceramic như hình 2.2 Hành vi phi tuyến về điện xảy ra tại biên tiếp giáp của các hạt bán dẫn ZnO, biến trở có thể xem như là một thiết bị nhiều tiếp giáp tạo ra từ nhiều liên kết nối nối tiếp và song song của biên hạt Hành vi của thiết bị có thể phân tích chi tiết từ vi cấu trúc của ceramic, kích thước hạt và phân bố kích thước hạt đóng vai trò chính trong hành vi về điện

Hình 2.2 Vi cấu trúc của ceramic

Hỗn hợp rắn ôxýt kẽm với ôxýt kim loại khác dưới điều kiện đặc biệt tạo nên ceramic đa tinh thể, điện trở của chất này phụ thuộc vào điện áp Hiện tượng này gọi là hiệu ứng biến trở Bản thân hạt ôxýt kẽm dẫn điện rất tốt ( đường kính hạt khoảng 15 –100μm), trong khi ôxýt kim loại khác bao bên ngoài có điện trở rất cao Chỉ tại các điểm ôxýt kẽm gặp nhau tạo nên

‘’vi biến trở ’’, tựa như hai diode zener đối xứng, với mức bảo vệ khoảng 3,5V Chúng có thể nối nối tiếp hoặc song song (hình 2.1) Việc nối nối tiếp hoặc song song các vi biến trở làm cho MOV có khả năng tải được dòng điện cao hơn so với các chất bán dẫn, hấp thu nhiệt tốt và có khả năng chụi được dòng xung đột biến cao

MOV được chế tạo từ việc hình thành và tạo hạt ZnO dạng bột vào trong các thành phần ceramic Các hạt ZnO có kích thước trung bình là d, bề dày biến trở là D, ở hai bề mặt khối MOV được áp chặt bằng hai phiến kim loại phẳng Hai phiến kim loại này lại được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài (hình 2.3)

Hình 2.3 Vi cấu trúc của MOV

Điện áp của MOV được xác định bởi bề dày của MOV và kích thước của hạt ZnO Một đặc tính cơ bản của biến trở ZnO là điện áp rơi qua biên tiếp giáp giữa các hạt ZnO gần như là hằng số, và khoảng từ (2-3,5)V Mối liên hệ này được xác định như sau:

Điện áp biến trở: VN= (3,5)n (2.1) Và bề dày của biến trở: D = (n+1)d ≈ (VNd)/3,5 (2.2)

Trong đó: n là số tiếp giáp trung bình giữa các hạt ZnO

d là kích thước trung bình của hạt

VN là điện áp rơi trên MOV khi MOV chuyển hoàn toàn từ vùng dòng rò tuyến tính sang vùng không tuyến tính cao, tại điểm trên đường đặc tính V-I với dòng điện 1mA (hình 2.9)

Biên tiếp giáp hạt ZnO của vi cấu trúc là rất phức tạp Chúng gồm 3 vùng cấu trúc (hình 2.4):

− Vùng I: biên có độ dày khoảng (100-1000 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3

− Vùng II: biên có độ mỏng khoảng (1-100 nm) và đây là lớp giàu bột Bi2O3

− Vùng III: biên này có đặc tính là tiếp xúc trực tiếp với các hạt ZnO Ngoài ra Bi, Co và một lượng các ion ôxy cũng tìm thấy xen giữa biên này với độ dày vài nanomet

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO

2 Tính năng hoạt động của biến trở ZnO

Biến trở ZnO là rất phức tạp, nhiều thành phần, hành vi về điện các ôxýt ceramic đa tinh thể tùy vào vi cấu trúc của thiết bị này và chi tiết quá trình xảy ra tại các biên tiếp giáp hạt ZnO Thành phần chính của biến trở là ZnO chiếm 90% hoặc hơn nữa, còn lại là các ôxít kim loại khác Một hỗn hợp tiêu biểu như sau: 97mol-%ZnO, 1mol-% Sb2O3, 0,5mol-% mỗi Bi2O3,CoO, MnO, và Cr2O3

Quá trình chế tạo biến trở ZnO theo tiêu chuẩn kỹ thuật ceramic Các thành phần được trộn thành hỗn hợp và xay thành bột Hỗn hợp bột được làm khô và nén thành hình dạng mong muốn Sau đó các viên được vón cục ở nhiệt độ cao, cụ thể là từ 1000-14000C Hai phiến kim loại thường là bằng bạc tiếp xúc với các hạt được vón cục bên ngoài làm điện cực và được hàn chắc chắn với hai chân nối ra ngoài, thiết bị được đóng gói bằng vật liệu trùng hợp Sản phẩm hoàn thành sau cùng được kiểm tra đáp ứng các tính năng yêu cầu kỹ thuật Quá trình có thể diễn tả theo lưu đồ hình 2.5, hình 2.6 là cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói

Một vài giá trị tiêu biểu về kích thước của biến trở ôxýt kim loại được cho như sau:

Điện áp biến trở

(VRMS) d ( μm) n (hạt) V/mm tại 1mA Điện trường Bề dày của MOV (mm)

Đường kính đĩa danh định:

Đường kính đĩa danh định -mm 3 5 7 10 14 20 32 34 40 62

Hình 2.5 Lưu đồ chế tạo biến trở ZnO

Hình 2.6 Cấu trúc chi tiết một số sản phẩm MOV đóng gói

Vì cấu trúc biến trở ôxýt kim loại đa tinh thể tự nhiên nên hoạt động vật lý của biến trở là phức tạp hơn chất bán dẫn thông thường Giải thích nguyên lý hoạt động của biến trở ZnO dựa trên sự hiểu biết về hiện tượng điện xảy ra ở vùng biên tiếp giáp của các hạt ôxýt kẽm, một vài lý thuyết ban đầu đã giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng xuyên hầm Tuy nhiên, tốt hơn là có thể diễn tả bằng sự sắp xếp các diode bán dẫn nối nối tiếp –song song (hình 2.1) Cấu trúc

cơ bản của khối biến trở ZnO là kết quả tạo hạt ZnO Trong suốt quá trình xử lý, sự biến đổi các thành phần hoá học làm cho vi cấu trúc vùng gần biên tiếp giáp hạt ZnO có điện trở suất rất cao (ρ = 1010-1012 Ωcm) và bên trong hạt tính dẫn điện rất cao (ρ=0,1-10Ωcm) Điện trở suất giảm mạnh từ biên đến hạt với khoảng cách khoảng 50 đến 100nm, vùng này được biết như là vùng hẹp Vì vậy, tại một biên hạt có sự tồn tại vùng hẹp cả hai phía đến các hạt kế cận Hoạt động của biến trở chính là do sự có mặt của vùng hẹp này Bởi vì vùng này thiếu hụt các điện tử tự

do, cho nên hình thành vùng hẹp (vùng nghèo) điện tích không gian trong hạt ôxít kẽm tại miền gần các biên tiếp giáp của các hạt Điều này giống như ở tiếp giáp p-n của diode bán dẫn và điện dung của lớp tiếp giáp này phụ thuộc vào điện áp đặt vào tiếp giáp theo biểu thức:

sN q

V V C

b

ε

)(

21

Từ mối liên hệ này, mật độ hạt dẫn của ZnO, N được xác định khoảng 2x1017/cm3

Ở các vùng hẹp các hạt dẫn trôi tự do và đây là nguyên nhân gây ra dòng điện rò Dòng rò được gây ra do các hạt dẫn trôi tự do qua điện trường rào thấp và được kích hoạt bởi nhiệt độ ít nhất là trên 25oC

Hình 2.7 chỉ ra sơ đồ năng lượng của ZnO-biên tiếp giáp – ZnO Điện áp phân cực thuận VL

phía bên trái của hạt, điện áp phân cực ngược VR phía bên phải của hạt Độ rộng vùng nghèo là

XL và XR, với độ lớn điện thế rào tương ứng là ΦL và ΦR Điện thế phân cực tại gốc là Φo Khi điện áp phân cực gia tăng, ΦL giảm và ΦR tăng, dẫn đến điện thế rào thấp hơn và sự dẫn điện gia tăng

Hình 2.7 Sơ đồ năng lượng tiếp giáp ZnO –biên –ZnO

Độ lớn điện thế rào ΦL của biến trở hạ áp là một hàm theo điện áp (hình 2.7) Sự giảm nhanh của điện thế rào ở điện áp cao tương ứng với lúc bắt đầu vùng dẫn phi tuyến

Hình 2.8 Quan hệ điện thế rào với điện áp đặt vào

Cơ chế vận chuyển của vùng phi tuyến là rất phức tạp và vẫn còn tiếp tục nghiên cứu Ở vùng dẫn cao, giá trị điện trở giới hạn tùy thuộc vào tính dẫn điện của các hạt bán dẫn ZnO, ở vùng dẫn này mật độ hạt dẫn khoảng từ 1017-1018/cm3 Điện trở suất của ZnO có giá trị dưới 0,3Ωcm

I là dòng qua biến trở

V điện áp đặt lên biến trở

K hệ số phụ thuộc vào loại biến trở

α là hệ số phi tuyến Nguyên lý bảo vệ của biến trở thể hiện qua điện áp phụ thuộc giá trị điện trở:

R = V/I = V/ KVα =

Từ (2.4 ) và (2.5) suy ra:

LogR = log(

Theo đề nghị của Manfred Holzer và Willi Zapsky [33], xấp xỉ hoá đặc tính V/I của biến trở được quan hệ giữa điện áp và dòng điện theo phương trình:

log V = B1 + B2 log ( I) + B3· e -log ( I) + B4 e log ( I) với I > 0 (2.8)

Hay 1 2 log( ) 3 log( ) 4 log( )

Hình 2.9 Đặc tính V-I của MOV

4 Sơ đồ tương đương

Mô hình điện của biến trở có thể thay thế bằng sơ đồ mạch tương đương hình 2.10

Trong đó:

L : điện cảm dây nối (≅ 1nH/mm)

C: điện dung biến trở ôxýt kim loại

RIG: điện trở miền tiếp giáp giữa hạt ôxýt kẽm (ρ = 1012 Ỉ 1013Ωcm)

RV: biến trở lý tưởng, điện trở phi tuyến (0 Ỉ ∞ )

RB: điện trở của ôxýt kẽm (ρ =1 Ỉ 10 Ωcm)

Hành vi của MOV được giải thích theo dãy giá trị dòng điện khác nhau trên đường đặc tính V-I (hình 2.9)

4.1 Trong vùng dòng điện rò thấp < 10 -4 A: sơ đồ tương đương trở thành hình 2.11

R C

L

IG

Hình 2.11 sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dòng rò

Ở cấp độ dòng thấp, đặc tính V-I gần như tuyến tính, dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ Biến trở có trở kháng rất cao xem như hở mạch Điện trở phi tuyến RV có giá trị rất lớn có thể bỏ qua, vì RB không đáng kể so với RIG Ở trong vùng dòng rò thì điện dung hầu như là không đổi trong một dãy rộng tần số và điện áp Điện dung gần như hằng số khi tần số thay đổi đến 100kHz Tương tự khi với nhiệt độ, điện dung (250C) thay đổi rất ít khoảng ±10% khi nhiệt độ thay đổi từ –400C đến 1250C Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đường đặc tính V-I ở vùng dòng điện rò như hình 2.12

Hình 2.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đường đặc tính V-I ở vùng dòng điện rò Mối liên hệ của dòng rò và nhiệt độ:

KT

V B

e I I

−

Trong đó: Io : hằng số

VB = 0,9eV

Giá trị điện trở RIG duy trì ở giá trị cao khi nhiệt độ tăng lên, ở 125oC có giá trị từ 10 đến 100MΩ Giá trị điện trở này có quan hệ gần tuyến tính với tỉ lệ nghịch tần số RIG ∼1/f Tuy nhiên, RIG nối song song với điện dung C thì tính dung vẫn thể hiện ở bất kỳ tần số quan tâm Điều này là bởi vì dung kháng có quan hệ gần tuyến tính với tỉ lệ nghịch tần số 1/f

Một điều chú ý là MOV có hệ số nhiệt độ âm và giảm khi dòng điện tăng Ở vùng hoạt động bình thường (>1mA) hệ số nhiệt độ nhỏ hơn -0,05%/OC, sự thay đổi nhiệt độ trở nên rất nhỏ

4.2 Trong vùng hoạt động bình thường ( 10 -5 –10 3 A): vùng này vật liệu bị đánh thủng về điện

và tính trở của vật liệu phụ thuộc nhiệt độ rất ít MOV kẹp điện áp từ 10-5 A–103 A Đặc tính V-I được biểu diễn bằng phương trình dạng hàm mũ (2.4)

Từ hai điểm trên đường đặc tính V/I (V1/I1 và V2/I2), xác định được hệ số phi tuyến α:

)/log(

)/log(

loglog

loglog

2 2 1

2 2

Í

Í Í

V V

I I V

V

I I

RB nhiều, sơ đồ thay thế hình 2.13

R v C

L

Hình 2.13 sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng hoạt động bình thường

Trong suốt quá trình dẫn điện, điện áp biến trở duy trì gần như là hằng số khi dòng điện thay đổi Điện trở phi tuyến thay đổi đáp ứng theo dòng điện

Với tín hiệu tần số thấp, ảnh hưởng của điện dung có thể bỏ qua Ở tần số cao, vai trò của điện dung C trở nên đáng kể Chính điện dung này làm giảm trở kháng khi tần số cao, làm ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của biến trở, làm suy giảm tín hiệu

Điện trở tĩnh của biến trở:

RV = V/I (2.12) Điện trở động của biến trở:

ZV = dV/di = V/αI= RV /α (2.13)

4.3 Trong vùng dòng điện cao (>10 3 A): điện trở phi tuyến có giá trị rất nhỏ, RV nhỏ hơn RIG

rất nhiều và RB lớn hơn RV, sơ đồ thay thế như hình 2.14 Giá trị điện trở của biến trở rất nhỏ khoảng từ (1-10) Ω, chính là điện trở của ôxýt kẽm RB

R L

B

Hình 2.14 sơ đồ tương đương của biến trở trong vùng dòng điện cao

5 Thời gian đáp ứng

Hoạt động của biến trở tùy thuộc vào cơ chế dẫn điện giống như các thiết bị bán dẫn khác Sự dẫn điện xảy ra rất nhanh với thời gian trễ tính bằng nano giây.Hình 2.15 đường cong (1) phía trên là trường hợp không có biến trở, đường cong (2) phía dưới là trường hợp có biến trở và không đồng bộ với đường (1) và cho thấy ảnh hưởng điện áp kẹp xảy rất nhanh

Tuy nhiên thời gian đáp ứng của MOV bị thay đổi do một số lý do:

ƒ Điện áp cảm ứng đầu dây nối góp phần gia tăng đáng kể điện áp ngang qua đầu cực của biến trở ở xung dòng cao và độ dốc sườn trước lớn

ƒ Điện dung ký sinh của chính bản thân MOV

ƒ Trở kháng ngoài của mạch

Đáp ứng và điện áp kẹp của biến trở bị ảnh hưởng bởi dạng sóng dòng điện và độ vọt lố điện áp cực đại xuất hiện ngang đầu cực của biến trở trong suốt quá trình tăng dòng điện như hình 2 16

500ps/DIV

Hình 2.15 Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao

Hình 2.16 Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối đối với xung dòng điện

a) Đặc tính V-I của biến trở ZnO khi thay đổi thời gian tăng xung dòng điện

b) Điện áp kẹp thay đổi tương ứng với thay đổi đỉnh dòng xung 8/20μs

16a 16b

6 Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình

6.1 Năng lượng cho phép

Sự già hóa của biến trở liên quan đến năng lượng quá độ, được xác định bởi giá trị điện áp

dư cực đại VP với dòng điện đỉnh IP cũng như dạng xung Đối với dạng xung như hình 1.7, năng

lượng cho phép và được tính toán theo công thức (2.14):

W= VPIP(1,4T2 –0,88T1)10-6

Năng lượng cho phép của MOV thụ thuộc vào đường kính của MOV và năng lượng vượt giá trị cho phép khi:

ƒ Dòng điện rò cao

ƒ Điện áp tại 1mA bị suy giảm (điện áp ngưỡng)

ƒ Hệ số phi tuyến α bị suy giảm

Tuổi thọ của MOV còn thể hiện qua số lần xung tối đa mà MOV có thể chịu đựng được với xung vuông (hình 2.17)

6.2 Công suất tiêu tán trung bình

Giá trị công suất tiêu tán trung bình đặc biệt quan tâm trong trường hợp điện áp thay đổi, hệ số phi tuyến cao Từ công thức (2.4), công suất tiêu tán trung bình được xác định:

Hình 2.17 Số lần xung có thể chịu được của một loại MOV

Hình 2.18 Quan hệ công suất tiêu tán và điện áp (α=10, 30, 50)

II DIODE ZENER

1 Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện

1.1 Mạng tinh thể và liên kết hoá trị

Các chất bán dẫn điển hình như Gemanium (Ge) và Silicium (Si),… thuộc nhóm 4 bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học Chúng cấu tạo từ những tinh thể hình dạng xác định, trong đó các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự chặc chẽ, tuần hoàn, tạo nên một mạng lưới, gọi là mạng tinh thể Chẳng hạn mạng tinh thể của Si có hình tứ diện

Hiện nay diode zener dùng silicon như là vật liệu cơ bản Cấu trúc các tinh thể bán dẫn bằng mô hình phẳng hình [2.19] Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn Si luôn có 4 nguyên tử khác kề cận, liên kết chặt chẽ với nguyên tử đó Mỗi nguyên tử này đều có 4 điện tử hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng Do khoảng cách của các nguyên tử rất gần, các điện tử này chịu ảnh hưởng của các nguyên tử xung quanh Vì vậy điện tử hoá trị của 2 nguyên tử cạnh nhau cùng có những quỹ đạo chung Quỹ đạo chung đó ràng buộc nguyên tử này với nguyên tử khác, tạo nên mối liên kết hóa trị Như vậy, do liên kết với 4 nguyên tử xung quanh, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử Si như được bổ sung thêm 4 điện tử, nghĩa là đủ số điện tử tối đa của lớp vỏ (8 điện tử) và do đó, lớp này trở thành bền vững Trong trạng thái như vậy, chất bán dẫn không có điện tích tự do và không dẫn điện

Tình trạng trên xảy ra trong một chất bán dẫn thuần khiết có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh và

ở nhiệt độ rất thấp (T= 00K) Khi chất bán dẫn có nhiệt độ cao hơn (hoặc được cung cấp năng lượng dưới dạng khác: chiếu ánh sáng, bị bắn phá bởi các chùm tia…), một số điện tử hoá trị nhận thêm năng lượng sẽ thoát khỏi mối liên kết với các nguyên tử trở thành tự do Chúng mang

điện tích âm và sẵn sàng chuyển động có hướng khi có tác dụng của điện trường Đó là điện tử

tự do Khi một điện tử tự do xuất hiện, tại mối liên kết mà điện tử vừa thoát khỏi sẽ thiếu mất

một điện tích âm (-q), nghĩa là dư một điện tích dương (+q) Đó là một lỗ trống

Như vậy, trong chất bán dẫn thuần khiết có 2 loại điện tích tự do cùng xuất hiện khi được cung cấp năng lượng: điện tử và lỗ trống Mật độ của chúng là bằng nhau Điện tử và lỗ trống là

2 loại hạt mang điện, gọi chung là hạt dẫn, khi chuyển động có hướng sẽ tạo ra dòng điện

Hình 2.19 Cấu trúc mạng thinh thể của Si tinh khiết

1.2 Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P

Chất bán dẫn loại N: chất bán dẫn thuần khiết (Si) nếu được pha thêm tạp chất thuộc nhóm

V (phospho) với hàm lượng thích đáng sao cho các nguyên tử tạp chất này chiếm chỗ một trong những nút của mạng tinh thể thì cơ chế dẫn điện sẽ thay đổi Thật vậy, nguyên tử tạp chất (phospho) vỏ ngoài cùng có 5 điện tử hình [2.20], trong đó 4 điện tử tham gia liên kết hoá trị với nguyên tử lân cận Điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với hạt nhân và các nguyên tử xung quanh, cho nên chỉ được cung cấp một năng lượng nhỏ điện tử này sẽ thoát khỏi trạng thái ràng buộc, trở thành hạt dẫn tự do Nguyên tử tạp chất khi đó bị ion hoá trở thành ion dương Nếu có điện trường đặt vào, các hạt dẫn tự do nói trên sẽ chuyển động có hướng, tạo nên dòng điện Tạp chất nhóm 5 cung cấp điện tử cho chất bán dẫn ban đầu nên được gọi là tạp chất cho (donor) Chất bán dẫn có pha tạp tạp chất donor gọi là bán dẫn loại N (bán dẫn điện tử)

Chất bán dẫn loại P: chất bán dẫn thuần khiết (Si) nếu được pha thêm tạp chất thuộc nhóm

III (Bore), do lớp vỏ ngoài cùng của các nguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử, khi tham gia vào mạng tinh thể của chất bán dẫn (Si) hình 2.21 chỉ tạo nên 3 mối liên kết hoàn chỉnh, còn mối liên kết thứ tư bị bỏ hở Chỉ cần một kích thích nhỏ là một trong những điện tử của các mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh sẽ đến thế vào liên kết bỏ hở nói trên Nguyên tử tạp chất lúc đó sẽ trở thành một ion âm Tại mối liên kết mà nguyên tử vừa đi khỏi sẽ dư ra một điện tích dương, nghĩa là xuất hiện một lỗ trống Nếu có điện trường đặt vào, các lỗ trống này sẽ tham gia dẫn điện Như vậy, tạp chất nhóm III tiếp nhận điện tử từ chất cơ bản để làm sản sinh các lỗ trống nên được gọi là tạp chất nhận (acceptor) Chất bán dẫn có pha tạp chất nhóm III gọi là bán dẫn loại P (bán dẫn lỗ trống)

Hình 2.20 Silicon loại N

1.3 Chuyển tiếp P- N ở trạng thái cân bằng

Giả sử có hai khối bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc nhau theo tiết diện phẳng Trước khi tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn nằm ở trạng thái cân bằng (tổng điện tích dương cân bằng với điện

tích âm trong thể tích) đồng thời giả thiết rằng nồng độ hạt dẫn cũng như nồng độ tạp chất phân bố đều Khi tiếp xúc nhau do chênh lệch nồng độ sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, còn điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại, chúng tạo nên dòng khuếch tán Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau, làm cho trên vùng hẹp ở hai bên mặt ranh giới, nồng độ hạt dẫn giảm xuống rất thấp Tại vùng đó, bên bán dẫn loại P hầu như chỉ

còn lại các ion âm acceptor, bên bán dẫn loại N hầu như chỉ còn lại các ion dương donor, nghĩa là hình thành hai lớp điện tích không gian trái dấu đối diện nhau Giữa hai lớp điện tích này sẽ có sự chênh lệch điện thế (bên N dương hơn bên P) gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Vtx Nghĩa là trong vùng lân cận mặt ranh giới đã xuất hiện một điện trường ( hướng từ N sang P) gọi là điện trường tiếp xúc

Vùng hẹp nói trên gọi là vùng nghèo hoặc chuyển tiếp P-N Nồng độ hạt dẫn trong vùng này chỉ còn rất thấp, cho nên điện trở suất của nó rất lớn so với vùng còn lại

Do tồn tại điện trường tiếp xúc, các hạt dẫn thiểu số của hai miền bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống của bán dẫn N chạy về phía cực âm của điện trường, điện tử của bán dẫn P chạy về phía cực dương của điện trường Chúng tạo nên dòng trôi, ngược chiều với dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số

Nồng độ hạt dẫn đa số trong hai khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều, do đó điện trường tiếp xúc càng tăng và dòng điện trôi của hạt dẫn thiểu số cũng càng tăng Vì vậy, chỉ sau một khoảng thời gian ngắn, dòng trôi và dòng khuếch tán trở nên cân bằng và dòng tổng hợp qua mặt ranh giới sẽ bằng không Khi đó chuyển tiếp P-N ở trạng thái cân bằng, và hiệu điện thế tiếp xúc giữa bán dẫn N và bán dẫn P có một giá trị nhất định Thường, hiệu điện thế tiếp xúc vào cỡ 0,35V đối với Ge và 0,7V đối với Si Hiệu điện thế này ngăn cản không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên gọi là hàng rào điện thế

Hình 2.21 Silicon loại P