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

Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 
 58
 VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI 
MÔ PHỎNG HIỆU QUẢ CỦA CÁC THIẾT BỊ PHỐI HỢP BẢO VỆ 
TRÊN ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI 
 ThS. Nguyễn Thị Ngọc Soạn 
Khoa Khai thác - Trường ĐH Nha Trang 
Bài báo này giới thiệu về mô hình mô phỏng của hai thiết bị chống quá áp do sét lan truyền trên đường dây 
điện thoại, đó là GDT (Gas Discharge Tube) và TVS Diode (Transient Voltage Suppressor Diode). Chúng được 
phối hợp bảo vệ theo hai cấp: sơ cấp và thứ cấp. Đặc biệt, đáp ứng tác động của chúng được mô phỏng bằng 
phần mềm ORCAD-PSPICE dưới xung sét thử nghiệm là xung chuẩn 10/700μs, biên độ 5KV theo tiêu chuẩn 
viễn thông quốc tế ITU-T K20 . 
Kết quả mô phỏng của hai mô hình thiết bị GDT và TVS Diode và các mạch phát xung sét chuẩn sẽ được 
kiểm tra tính đúng đắn bằng cách so sánh với tài liệu tương ứng của nhà sản xuất ERICO,Inc cung cấp. 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Thiết bị điện tử ngày nay dễ bị hư hỏng 
hơn đối với các xung quá áp và quá trình quá 
độ. Đường dây điện thoại là một phần trong 
cấu trúc hạ tầng mạng viễn thông hiện nay, nó 
sử dụng nhiều linh kiện nhạy cảm nên rất cần 
có những hình thức bảo vệ hữu hiệu ngay từ 
tổng đài đến các thiết bị thuê bao của khách 
hàng. Hệ thống 2 dây Tip và Ring của đường 
dây này đi ngoài trời rất dễ bị ảnh hưởng của 
các nhiễu gây ra do sét đánh trực tiếp, do cảm 
ứng hay tiếp xúc với đường dây điện lực. Tại 
các tổng đài ngoài việc chống sét đánh trực 
tiếp, đánh trên đường dây cấp nguồn hạ áp thì 
người ta phải lắp đặt các thiết bị triệt xung áp 
lan truyền để bảo đảm rằng ngay cả các xung 
áp nhỏ cũng không gây hại cho thiết bị. 
Các mạch bảo vệ phi tuyến được thiết kế 
bảo vệ đường dây điện thoại thường có hai 
khâu: khâu thứ nhất là một van chống sét khí 
GDT (Gas Discharge Tube) để bảo vệ sơ bộ 
và khâu thứ hai là một diode triệt xung TVS 
Diode (Transient Voltage Suppressor Diode) 
để bảo vệ chính xác. Hai khâu được kết hợp 
với nhau bằng một trở kháng, thường là một 
điện trở để giới hạn dòng. 
Hình 1. Sơ đồ khối phối hợp bảo vệ 
Ở sơ đồ khối phối hợp bảo vệ thì P1 là bảo 
vệ sơ cấp dùng GDT, R là phần tử phối hợp và 
là điện trở giới hạn dòng, P2 là bảo vệ thứ cấp 
sử dụng phần tử TVS Diode. 
Để kiểm chứng hiệu quả bảo vệ, cần thiết 
phải thực hiện sự vận hành của mạch điện dưới 
tác động của một xung sét chuẩn. Bài báo này 
giới thiệu việc kiểm chứng hiệu quả bảo vệ của 
hai phần tử GDT và TVS Diode bằng cách mô 
phỏng trên phần mềm ORCAD-PSPICE. Mô 
hình hai phần tử GDT và TVS Diode được sử 
dụng trong hai khâu bảo vệ là hai mô hình mới 
được xây dựng và đưa vào thư viện dùng 
chung của phần mềm PSPICE để dùng như 
một linh kiện có sẳn. Kết quả mô phỏng hoạt 
Đối tượng 
bảo vệ 
Điện trở phối hợp 
R 
P2 
P1
Bảo vệ 
sơ cấp 
Bảo vệ 
thứ cấp 
Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 
 59
động của chúng sẽ được so sánh với thông tin, 
tư liệu được cung cấp từ nhà sản xuất ra các 
loại thiết bị chống sét, công ty ERICO, để đánh 
giá tính đúng đắn của mô hình thông qua hiệu 
quả của việc phối hợp bảo vệ. 
II. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ 
Đây là hai thiết bị được thiết kế để bảo vệ 
quá áp, nó được lựa chọn bởi hiệu quả và tính 
kinh tế mà nó mang lại. Dưới đây giới thiệu 
tóm tắt một số đặc điểm của hai thiết bị này: 
™ GDT là các ống phóng khí thường có dạng 
2 cực và 3 cực. Các điện cực được giữ ở 
khoảng cách gần nhau và đặt trong ống có đầy 
khí trơ áp suất thấp. Khi có điện áp cao đặt vào 
giữa các điện cực vượt quá giá trị ngưỡng thì 
khí bên trong bị ion hóa và xuất hiện dòng điện 
chạy qua các điện cực. Ở trạng thái không dẫn 
(off) thì điện trở của ống phóng khí rất cao, 
nhưng khi dẫn giá trị điện trở này giảm xuống 
đột ngột, dẫn dòng điện sét xuống đất. 
™ TVS diode là các diode được chế tạo đặc 
biệt, chúng có đặc tính là điện áp hoạt động và 
điện áp kẹp thấp, thời gian đáp ứng khá nhanh 
khi tác động. 
III. MÔ PHỎNG 
1. Phần mềm sử dụng để mô phỏng 
ORCAD-PSPICE là phần mềm liên thông 
dùng để vẽ mạch điện và mô phỏng, phân tích 
sự làm việc của mạch điện đó. Nó có một thư 
viện đủ lớn chứa tất cả các mô hình của các 
phần tử có thể có mặt trong mạch điện tử với 
các thông số cụ thể và với hãng sản xuất cụ 
thể. 
Hai mô hình phần tử chống sét mới GDT 
và TVS Diode của tác giả xây dựng sẽ được 
đưa vào thư viện của ORCAD 9.1 vì trong đó 
nhà sản xuất phần mềm chưa có hai mô hình 
này. Việc bổ sung hai mô hình này vào thư 
viện của ORCAD có ý nghĩa rất lớn trong giai 
đoạn hiện nay vì đây là một phần mềm phổ 
dụng trong các viện nghiên cứu, các trường đại 
học. Hiện nay ở nước ta, các phòng thí nghiệm 
về thiết bị cao áp còn rất hạn chế, cho nên việc 
kiểm tra thiết bị bằng mô hình thay thế và thực 
hiện mô phỏng trên máy tính là một giải pháp 
tốt cả về kỹ thuật lẫn kinh tế. 
2. Mô hình GDT và TVS Diode 
Mô hình GDT và TVS Diode xây dựng theo 
ngôn ngữ lập trình của PSPICE dựa trên cấu 
trúc mô hình của Borgeest [1,2], không sử dụng 
các công tắc chuyển mạch mà thay bằng các 
nguồn áp điều khiển bằng nguồn dòng. Sự thay 
đổi điện trở theo thời gian trong lòng của ống 
GDT được cải tiến để quá trình đánh thủng xảy 
ra nhanh nhất. Ký hiệu mô hình của GDT và 
TVS Diode trong thư viện PSPICE được thể 
hiện như Hình 2. 
 (a) b) (c) 
Hình 2. Ký hiệu mô hình GDT (a), TVS một 
hướng (b) và TVS hai hướng (c) 
3. Thông số của thiết bị mô phỏng 
3.1 Thiết bị GDT 
Phần tử GDT sử dụng mô phỏng được chọn 
của hãng Siemens mã hiệu Q69-X50 có thông 
số làm việc như Bảng 1. 
Bảng 1. Thông số làm việc của GDT 
VGLOW 
(V) 
IHOLD 
(μA) 
IGLOW 
(μA) 
VARC 
(V) 
VBR 
 (V) 
Ls 
(nH) 
70 0.1 0.01 10 350 1 
3.2 Thiết bị TVS Diode 
D17
DIODE TVS
D18
DIODE TVS BI-DIR
Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 
 60
Phần tử TVS Diode sử dụng mô phỏng 
được chọn của hãng General Semiconductor 
mã hiệu 1N6303 với các thông số ở Bảng 2. 
Bảng 2. Thông số của TVS diode 
VBR 
(V) 
VC 
(V) 
IT 
(A) 
VRWM 
(V) 
IR 
(A) 
IPP 
(A) 
180-
220 
287 1.0 162 5.0 5.2 
4. Sơ đồ thực hiện mô phỏng 
4.1 Sơ đồ bảo vệ số 1 
Xung chuẩn được phát qua thiết bị GDT có 
một chân nối đất. Theo sơ đồ nguyên lý bảo vệ 
chống quá áp cho đường dây điện thoại, GDT 
thường được lắp đặt ở phần bảo vệ sơ cấp tức 
là phía nhà cung cấp dịch vụ hay tại tổng đài. 
Theo tiêu chuẩn của hiệp hội viễn thông quốc 
tế ITU-T K20 (International Telecommunication 
Union), các thiết bị cắt xung sét ở phía sơ cấp 
phải có khả năng cắt được xung sét lan truyền 
có biên độ đến 6KV mà không hề bị hư hỏng 
và vẫn hoạt động tốt sau khi kiểm tra. 
4.2 Sơ đồ bảo vệ số 2 
Thiết bị bảo vệ thứ cấp sử dụng 2 phần tử 
TVS Diode dẫn hai hướng mắc đối ngẫu. 
IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH VỚI 
TÀI LIỆU CỦA NHÀ SẢN XUẤT 
1. Mô phỏng và so sánh sơ đồ 1 
a/ Sơ đồ bảo vệ số 1 mô phỏng trên phần mềm 
PSPICE 
MẠCH 
PHÁT 
XUNG SÉT 
CHUẨN 
DT 
Đối tượng 
bảo vệ 
GDT 
Hình 3. Sơ đồ mạch phát xung sét chuẩn 
10/700μs-5KV qua hai GDT 
Mạch phát xung sét chuẩn tác giả sử dụng 
để thử nghiệm là mô hình máy phát xung sét 
thành lập trên phần mềm ORCAD-PSPICE 
Hình 4. Đáp ứng của mô hình GDT dưới tác 
dụng của xung sét chuẩn 10/700μs-5KV 
b/ So sánh với tài liệu của nhà sản xuất thiết bị 
chống sét ERICO 
R 
R 
TVS 
Đối 
tượng 
bảo vệ 
GDT 
MẠCH 
PHÁT 
XUNG 
SÉT 
CHUẨN 
 Phần tử sử dụng của nhà sản xuất tương ứng 
có mã hiệu SLP10-K1F bên trong có một GDT 
ba chân, một chân nối đất. Xung sét thử nghiệm 
của nhà sản xuất cũng là xung chuẩn 10/700μs-
5KV đựợc phát từ một máy phát xung cao áp. 
Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 
 61
Hình 5. Mạch tích hợp theo sơ đồ 1 
 của phần tử SLP10-K1F 
Hình 6. Đáp ứng của thiết bị chống sét 
do nhà sản xuất cung cấp 
2. Mô phỏng và so sánh sơ đồ 2 
a/ Sơ đồ bảo vệ số 2 mô phỏng trên phần mềm 
PSPICE 
Hình 7. Sơ đồ mạch phát xung sét chuẩn 
10/700μs-5KV qua hai khâu bảo vệ 
Hình 8. Đáp ứng của mạch dưới tác dụng 
của xung sét chuẩn 10/700μs-5KV 
b/ So sánh với tài liệu của nhà sản xuất thiết bị 
chống sét ERICO 
 Hình 9 là mạch thử nghiệm của nhà sản xuất 
với phần tử HSP10-K230 được tích hợp theo 
sơ đồ bảo vệ số 2. Phần tử này được tích hợp 
bên trong gồm một GDT ba chân, hai điện trở 
giới hạn dòng và bốn TVS Diode mắc đối ngẫu. 
Hình 9. Mạch tích hợp theo sơ đồ 3 
của phần tử HSP10-K230 
Hình 10. Đáp ứng ngõ ra của sơ đồ bảo vệ 
số 2 theo xung chuẩn 10/700μs-5KV 
Tạp chí Khoa học – Công nghệ Thủy sản số 01/2007 Trường Đại học Nha Trang 
 62
V. NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
 So sánh kết quả mô phỏng trên phần mềm 
PSPICE với hai mô hình GDT và TVS Diode 
vừa được xây dựng với tài liệu của nhà sản 
xuất thiết bị chống sét ERICO [3] cụ thể trong 
Phần IV, với cùng xung thử nghiệm là xung sét 
chuẩn 10/700μs biên độ 5kV nhận thấy: 
¾ Hình dạng sóng xung sét đạt được giống 
như tài liệu của hãng sản xuất 
¾ Giá trị biên độ đỉnh của mô hình đạt 
được xấp xỉ bằng với giá trị biên độ đỉnh 
trong tài liệu cung cấp. 
¾ Thời gian cắt của mô hình bằng với thời 
gian cắt của thiết bị 
¾ Độ rộng xung của mô hình bằng với độ 
rộng xung của thiết bị 
VI. KẾT LUẬN 
 Như vậy đối chiếu với thông số kỹ thuật 
của các thiết bị chống sét lan truyền trên 
đường tín hiệu do công ty ERICO cung cấp, 
kết quả đạt được cho thấy tính đúng đắn của 
các mô hình máy phát xung 10/700μs và đặc 
biệt hai mô hình phần tử GDT và TVS Diode tác 
giả xây dựng hoàn toàn có thể đáp ứng được 
yêu cầu sử dụng để mô phỏng các phần tử 
GDT và TVS trong thực tế nhằm kiểm tra đáp 
ứng làm việc của nó. 
Việt Nam nằm trong vùng có mật độ sét 
tương đối dày, ảnh hưởng xấu do sét cảm ứng 
lan truyền trên đường dây điện thoại là rất lớn. 
Những hư hỏng về thiết bi tại các tổng đài hay 
thuê bao sẽ gây thiệt hại về kinh tế, xã hội vv... 
và ảnh hưởng lớn đến việc cung cấp dịch vụ 
cho khách hàng do gián đoạn thông tin liên lạc. 
Hiện nay ta chưa sản xuất thiết bị chống sét lan 
truyền mà chủ yếu nhập từ các công ty nước 
ngoài. Đồng thời công nghệ chống sét thay đổi 
rất nhanh và những thông tin hạn chế từ phía 
nhà sản xuất khiến cho người sử dụng gặp 
nhiều lúng túng trong việc lựa chọn và thực 
hiện kiểm tra hiệu quả của nó một cách chủ 
động. Các mô hình này sẽ phát huy tác dụng rất 
cao trong lĩnh vực thiết kế chống sét cũng như 
trong việc thực hành môn học Bảo vệ chống sét 
đối với sinh viên chuyên ngành Điện. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. K. Borgeest, M.S. Sarto, J. L. ter Haseborg: “ Two simulation methods for the design of 
transient protection circuits in comparition with measurements”, International Zurich 
Symposium on Electromagnetic Compatibility, March 7-9, 1995 
2. K. Borgeest, J. L. ter Haseborg, Anders Larsson, Viktor Scuka: 
3. ”Numerial Simulation of gas Discharge Protectors-A review”, IEEE Transaction on Power 
Delivery, vol 14, No 2, April 1999 
4. Erico, Inc,”Telecommunication line protectors”,1999 
ABSTRACT 
This article presents simulation models of two equipments against overvoltage caused by transient 
lightning on the phone line, that are GDT (Gas Discharge Tube) and TVS Diode (Transient Voltage 
Suppressor Diode). They are coordinated in protection for two levels: primary and secondary. 
Especially, reaction responses of GDT and TVS Diode are simulated by PSPICE under lightning test 
waveform 10/700μs, 5KV amplitude to international telecommunication standard ITU-T K20. 
The result of simulation for the model creating and standard surge lightning circuits checked their 
rightness in comparison with document compatible supplied from producer, ERICO.