Nghiên cứu giải pháp chống sét trong trạm viễn thông tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu giải pháp chống sét trong trạm viễn thông, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Bùi Kim Cường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Giải Pháp Chống Sét Hiệu Quả Cho Trạm Viễn Thông Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG
• 1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ TRẠM VIỄN THÔNG
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ SÉT
• 1.3. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.4. Tổng quan các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.6. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.7. Đối tượng nghiên cứu
• 1.8. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.9. Phương pháp nghiên cứu
• 1.10. Đề cương luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TÁC HẠI VÀ THÔNG SỐ CỦA SÉT, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SÉT LÊN TRẠM VIỄN THÔNG ĐIỂN HÌNH
• 2.1. HẠI DO SÉT GÂY RA
• 2.2. CÁC THÔNG SỐ CẦN QUAN TÂM CỦA SÉT
• 2.3. MÔ TẢ TRẠM VIỄN THÔNG ĐIỂN HÌNH. Kích thước trong trạm viễn thông tiêu biểu. PHÂN TÍCH SÉT ĐÁNH LÊN CÔNG TRÌNH VIỄN THÔNG. SÉT ĐÁNH LÊN CỘT THÁP VÀ ĐƯỜNG DÂY 22KV. XUNG CẢM ỨNG DO SÉT GÂY RA TRÊN ĐƯỜNG DÂY 22KV.
• 3. CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ VÀ PHÂN VÙNG BẢO VỆ CHO TRẠM VIỄN THÔNG. LỰA CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ XUNG SÉT CHO TRẠM VIỄN THÔNG. TÌM HIỂU CHỐNG SÉT VAN MOV. Thời gian đáp ứng. Năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình. Năng lượng cho phép. Công suất tiêu tán trung bình. PHÂN VÙNG BẢO VỆ TRẠM VIỄN THÔNG.
• 4. CHƯƠNG 4: TIẾP ĐẤT CHO TRẠM VIỄN THÔNG. TIẾP ĐẤT CHO NHÀ TRẠM. TIẾP ĐẤT BẢO VỆ ĐƯỜNG DÂY THÔNG TIN. TIẾP ĐẤT DÂY ĐIỆN LỰC. TIẾP ĐẤT CỘT THU SÓNG. LƯỚI TIẾP ĐẤT TRONG TRẠM VIỄN THÔNG
• 5. CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ATP. TỔNG QUAN VỀ ATP. Mô hình và những ứng dụng của ATP. Mô hình trong ATP. Những ứng dụng của ATP. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ATP. GIỚI THIỆU VỀ CÁCH SỬ DỤNG PHẦN MỀM ATP. Cửa sổ hoạt động chính trong ATP. Cách sử dụng phần mềm ATP. Trình đơn Edit. Trình đơn View. Trình đơn ATP. Trình đơn tool. Lựa chọn các phần tử. GIỚI THIỆU PLOT TRONG ATP. Khởi động chương trình PlotXY. Cách sử dụng PlotXY.
• 6. CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG CẤU HÌNH MÔ PHỎNG
• 6.1. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM XUNG SÉT DÒNG, XUNG SÉT ÁP. Xung sét áp 1000V dạng sóng T1/T2 = 1,2/50µS
• 6.2. Xung sét dòng 30kA dạng sóng T1/T2 = 5,5/75µS
• 6.3. Xung sét 3kA dạng sóng T1/T2 = 2,4/5µS
• 6.4. Xung sét dòng 100kA dạng sóng T1/T2 = 10/350µS
• 6.5. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM CHỐNG SÉT VAN
• 6.5.1. Chống sét van trung áp ToShiBa 15kV-40kA
• 6.5.2. Chống sét van hạ áp EPCOS-SIOV-B80K275
• 6.5.3. Chống sét van hạ áp EPCOS-SIOV-B80K250
• 6.6. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM MÁY BIẾN ÁP PHÂN PHỐI
• 6.6.1. Kiểm nghiệm mô hình biến áp không tải với xung sét áp 1000V dạng sóng T1/T2 = 1,2/50µS
• 6.6.2. Kiểm nghiệm mô hình biến áp mang tải 3300Ω với xung sét áp 1000V dạng sóng T1/T2 = 1,2/50µS
• 6.7. MÔ PHỎNG CẤU HÌNH TRẠM VIỄN THÔNG
• 6.7.1. Mô phỏng sét đánh trực tiếp vào đường dây 22kV. Khảo sát khi gắn một van chống sét đầu sơ cấp biến áp
• 6.7.2. Khảo sát khi gắn thêm van chống sét ở tủ phân phối
• 6.7.3. Khảo sát khi gắn thêm van chống sét cho đèn báo trên không. Mô phỏng xung sét cảm ứng đường dây phân phối 22kV. Khảo sát ảnh hưởng xung sét cảm ứng đến trạm viễn thông khi gắn chống sét van tại đầu sơ cấp biến áp. Khảo sát ảnh hưởng xung sét cảm ứng đến trạm viễn thông khi gắn thêm chống sét van tại tủ phân phối chính. Khảo sát ảnh hưởng xung sét cảm ứng khi gắn thêm chống sét van cho đèn báo trên không. Mô phỏng sét đánh trực tiếp vào cột thu sóng viễn thông
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Giới thiệu về sét và tác hại của nó

Sét là một hiện tượng tự nhiên có thể gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho các thiết bị điện, đặc biệt là trong các trạm viễn thông. Tác hại của sét không chỉ đến từ việc đánh trực tiếp mà còn từ các xung cảm ứng do sét gây ra. Theo thống kê, trong năm 2011, có 53 sự cố do sét trong ngành Bưu Chính Viễn Thông, chiếm 27,13% tổng số sự cố viễn thông. Điều này cho thấy mức độ nghiêm trọng của vấn đề và sự cần thiết phải có các giải pháp chống sét hiệu quả. Việc bảo vệ trạm viễn thông khỏi sét không chỉ đảm bảo an toàn cho thiết bị mà còn duy trì chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng.

1.1. Tác động của sét đến trạm viễn thông

Sét có thể gây ra nhiều thiệt hại cho trạm viễn thông, từ việc làm hỏng thiết bị đến việc gián đoạn dịch vụ. Các thiết bị điện tử nhạy cảm trong trạm viễn thông rất dễ bị ảnh hưởng bởi các xung điện từ do sét gây ra. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến hoạt động của trạm mà còn có thể gây thiệt hại về tài chính cho các nhà cung cấp dịch vụ. Do đó, việc nghiên cứu và áp dụng các công nghệ chống sét là rất cần thiết để bảo vệ các trạm viễn thông khỏi những tác động tiêu cực này.

II. Các giải pháp chống sét cho trạm viễn thông

Để bảo vệ trạm viễn thông khỏi sét, cần áp dụng nhiều giải pháp chống sét khác nhau. Một trong những giải pháp quan trọng là lắp đặt hệ thống tiếp đất hiệu quả. Hệ thống này giúp dẫn điện từ sét xuống đất một cách an toàn, giảm thiểu nguy cơ hư hại cho thiết bị. Ngoài ra, việc sử dụng các thiết bị bảo vệ như chống sét van và thiết bị bảo vệ xung sét cũng rất quan trọng. Những thiết bị này có khả năng ngăn chặn các xung điện từ gây hại trước khi chúng có thể ảnh hưởng đến hệ thống điện của trạm.

2.1. Hệ thống tiếp đất

Hệ thống tiếp đất là một phần không thể thiếu trong việc bảo vệ trạm viễn thông khỏi sét. Hệ thống này không chỉ giúp dẫn điện từ sét xuống đất mà còn tạo ra một môi trường an toàn cho các thiết bị điện tử. Việc thiết kế hệ thống tiếp đất cần phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo hiệu quả tối ưu. Một hệ thống tiếp đất tốt sẽ giúp giảm thiểu rủi ro sét đánh và bảo vệ an toàn cho trạm viễn thông.

2.2. Thiết bị bảo vệ xung sét

Các thiết bị bảo vệ xung sét như chống sét van và thiết bị bảo vệ xung sét đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ trạm viễn thông. Những thiết bị này giúp ngăn chặn các xung điện từ do sét gây ra, bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm khỏi hư hại. Việc lựa chọn và lắp đặt đúng loại thiết bị bảo vệ là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho trạm viễn thông.

III. Kết luận và hướng phát triển

Việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp chống sét cho trạm viễn thông là rất cần thiết trong bối cảnh hiện nay. Sét không chỉ gây thiệt hại cho thiết bị mà còn ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ viễn thông. Do đó, các nhà cung cấp dịch vụ cần đầu tư vào công nghệ và thiết bị bảo vệ để đảm bảo an toàn cho trạm viễn thông. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc nghiên cứu các công nghệ mới trong lĩnh vực bảo vệ chống sét và cải tiến các hệ thống hiện có để nâng cao hiệu quả bảo vệ.

3.1. Nghiên cứu công nghệ mới

Nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực bảo vệ chống sét sẽ giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ cho trạm viễn thông. Các công nghệ này có thể bao gồm việc sử dụng các vật liệu mới, thiết kế hệ thống tiếp đất thông minh hơn và cải tiến các thiết bị bảo vệ xung sét. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và nâng cao độ tin cậy của hệ thống viễn thông.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sét là hiện tượng tự nhiên phổ biến, xảy ra thường xuyên trong năm và gây ra những tác hại nghiêm trọng, đặc biệt đối với các thiết bị điện tử nhạy cảm trong trạm viễn thông. Theo thống kê ngành Bưu Chính Viễn Thông năm 2011, có khoảng 53 sự cố do sét, chiếm 27,13% tổng số sự cố viễn thông, gây mất liên lạc lên đến 716 giờ và thiệt hại kinh tế đáng kể. Trạm viễn thông thường được đặt ở vị trí cao, làm tăng nguy cơ bị sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp qua xung cảm ứng. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích ảnh hưởng của sét đến hệ thống điện trong trạm viễn thông, từ đó đề xuất giải pháp chống sét hiệu quả nhằm nâng cao tính ổn định và an toàn cho trạm, đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thông. Nghiên cứu tập trung vào mô hình trạm viễn thông điển hình với hệ thống điện 22kV, sử dụng phần mềm mô phỏng ATP-EMTP để đánh giá tác động của sét trực tiếp và xung cảm ứng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích các thông số sét, cấu trúc trạm, lựa chọn thiết bị bảo vệ và phương pháp tiếp đất. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và vận hành hệ thống chống sét trong các trạm viễn thông trên toàn quốc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết phóng điện sét: Mô tả quá trình hình thành và phát triển của tia sét qua ba giai đoạn chính gồm phóng tia tiên đạo, hình thành khu vực ion hóa và phóng điện ngược. Các thông số quan trọng như biên độ dòng sét, độ dốc đầu sóng (T1), độ dốc đuôi sóng (T2) và dạng sóng xung sét được sử dụng để mô phỏng hiện tượng sét.

• Mô hình phân vùng bảo vệ chống sét (LPZ - Lightning Protection Zone): Theo tiêu chuẩn IEC 61312-1, hệ thống chống sét được chia thành các phân vùng LPZ OA, OB, LPZ1, LPZ2,... nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của sét và vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ phù hợp.

• Lý thuyết thiết bị bảo vệ xung sét (SPD): Bao gồm các loại thiết bị như Metal Oxide Varistor (MOV), Gas Discharge Tubes (GDTs), Silicon Avalanche Diodes (SADs). MOV được nghiên cứu kỹ về cấu tạo, đặc tính V-I, thời gian đáp ứng, năng lượng cho phép và công suất tiêu tán trung bình nhằm đánh giá hiệu quả bảo vệ.

Các khái niệm chính bao gồm: xung sét trực tiếp, xung sét cảm ứng, điện áp kẹp, năng lượng xung cho phép, phân vùng bảo vệ LPZ, và mô hình mô phỏng ATP-EMTP.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu, phân tích lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu về mật độ sét, đặc tính dòng sét, cấu trúc trạm viễn thông điển hình, thông số kỹ thuật thiết bị bảo vệ từ các báo cáo ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật và tài liệu khoa học.

• Phương pháp phân tích: Mô hình hóa trạm viễn thông điển hình với hệ thống điện 22kV, máy biến áp 100kVA, tủ phân phối và cột tháp anten. Sử dụng phần mềm ATP-EMTP để mô phỏng các tình huống sét đánh trực tiếp vào đường dây trên không và cột tháp, cũng như xung sét cảm ứng do sét gần khu vực trạm.

• Cỡ mẫu và timeline: Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên kích thước và cấu trúc thực tế của trạm viễn thông tại một số địa phương, với các dạng sóng xung sét chuẩn (T1/T2 = 1,2/50µs, 5,5/75µs, 10/350µs). Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2011 đến 2013.

• Phân tích kết quả: So sánh các kết quả mô phỏng với và không có thiết bị bảo vệ, đánh giá hiệu quả của các loại SPD, đặc biệt là chống sét van MOV, trong việc giảm điện áp và dòng điện xung sét truyền vào hệ thống điện trạm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của sét đánh trực tiếp lên đường dây 22kV: Mô phỏng cho thấy dòng điện sét có thể đạt đến 30kA với dạng sóng 5,5/75µs, gây ra điện áp đột biến vượt quá khả năng chịu đựng của thiết bị trong trạm. Việc lắp đặt chống sét van MOV ở đầu sơ cấp máy biến áp giúp giảm điện áp đỉnh xuống khoảng 40-50%, đồng thời giảm dòng điện truyền vào hệ thống.

2. Ảnh hưởng của sét đánh trực tiếp lên cột tháp viễn thông: Dòng sét có thể lên đến 100kA dạng sóng 10/350µs, gây ra hiện tượng quá áp nghiêm trọng. Hệ thống tiếp đất và thiết bị bảo vệ được bố trí hợp lý giúp phân tán dòng sét, giảm thiểu thiệt hại cho thiết bị và đảm bảo an toàn cho trạm.

3. Ảnh hưởng của xung sét cảm ứng trên đường dây phân phối 22kV: Xung cảm ứng do sét gần khu vực trạm có thể tạo ra điện áp đột biến lên đến 1000V dạng sóng 1,2/50µs. Việc sử dụng kết hợp các SPD tại tủ phân phối và đèn báo trên không giúp giảm điện áp cảm ứng xuống dưới mức an toàn, bảo vệ thiết bị viễn thông khỏi hư hại.

4. Hiệu quả của phân vùng bảo vệ LPZ: Việc phân chia trạm viễn thông thành các phân vùng LPZ OA, OB, LPZ1, LPZ2 giúp xác định vị trí lắp đặt thiết bị bảo vệ phù hợp, từ đó giảm thiểu tác động của sét. Ví dụ, dây trên không 22kV thuộc LPZ OA chịu ảnh hưởng trực tiếp, trong khi các thiết bị nhạy cảm được đặt trong LPZ2 với mức điện áp thấp hơn nhiều.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các thiệt hại do sét là dòng điện và điện áp đột biến vượt quá khả năng chịu đựng của thiết bị điện tử trong trạm. Kết quả mô phỏng cho thấy thiết bị chống sét van MOV có đặc tính đáp ứng nhanh, khả năng hấp thụ năng lượng lớn và công suất tiêu tán phù hợp, là lựa chọn hiệu quả để bảo vệ trạm. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với các báo cáo về hiệu quả của SPD trong bảo vệ mạng viễn thông toàn cầu. Việc phân vùng bảo vệ theo tiêu chuẩn IEC giúp tối ưu hóa hệ thống chống sét, giảm thiểu rủi ro và chi phí bảo trì. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện trước và sau khi lắp đặt thiết bị bảo vệ, cũng như bảng so sánh mức giảm điện áp và dòng điện xung sét.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Lắp đặt hệ thống chống sét van MOV tại đầu sơ cấp máy biến áp và tủ phân phối: Giảm điện áp đỉnh và dòng điện xung sét truyền vào hệ thống, nâng cao độ bền thiết bị. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng. Chủ thể thực hiện: đơn vị quản lý trạm viễn thông.

2. Thiết kế và triển khai hệ thống tiếp đất đồng bộ cho toàn bộ trạm viễn thông: Đảm bảo dòng sét được phân tán hiệu quả, giảm thiểu điện áp chạm đất nguy hiểm. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: nhà thầu xây dựng và bảo trì.

3. Phân vùng bảo vệ chống sét theo tiêu chuẩn IEC 61312-1: Xác định rõ các khu vực LPZ để bố trí thiết bị bảo vệ phù hợp, giảm thiểu rủi ro cho thiết bị nhạy cảm. Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và vận hành.

4. Đào tạo nhân viên kỹ thuật về công tác bảo trì và kiểm tra hệ thống chống sét: Đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và phát hiện kịp thời các hư hỏng. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: phòng nhân sự và đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế và vận hành trạm viễn thông: Nắm bắt kiến thức về ảnh hưởng của sét và giải pháp chống sét hiệu quả để thiết kế hệ thống an toàn, giảm thiểu sự cố.

2. Chuyên gia an toàn điện và phòng chống sét: Áp dụng các tiêu chuẩn và mô hình phân vùng bảo vệ trong thực tế, nâng cao hiệu quả bảo vệ công trình.

3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách viễn thông: Hiểu rõ tầm quan trọng của chống sét trong đảm bảo chất lượng dịch vụ, từ đó đầu tư hợp lý cho hệ thống bảo vệ.

4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành điện, viễn thông: Tài liệu tham khảo khoa học về mô hình hóa, mô phỏng và phân tích tác động của sét trong hệ thống viễn thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trạm viễn thông dễ bị ảnh hưởng bởi sét?
   Trạm viễn thông thường đặt ở vị trí cao, có nhiều thiết bị điện tử nhạy cảm và hệ thống dây dẫn trên không, làm tăng nguy cơ bị sét đánh trực tiếp hoặc xung cảm ứng gây hư hại.

2. Thiết bị chống sét van MOV hoạt động như thế nào?
   MOV có đặc tính phi tuyến, khi điện áp vượt ngưỡng, điện trở giảm mạnh, cho phép dòng xung sét đi qua và chuyển hướng xuống đất, giảm điện áp đột biến trên thiết bị được bảo vệ.

3. Phân vùng bảo vệ LPZ có vai trò gì trong chống sét?
   LPZ giúp xác định mức độ ảnh hưởng của sét tại từng khu vực trong trạm, từ đó bố trí thiết bị bảo vệ phù hợp, tối ưu hóa hiệu quả chống sét và bảo vệ thiết bị nhạy cảm.

4. Mô phỏng ATP-EMTP giúp gì trong nghiên cứu chống sét?
   ATP-EMTP cho phép mô hình hóa và phân tích các hiện tượng điện từ phức tạp do sét gây ra, đánh giá hiệu quả thiết bị bảo vệ và tối ưu hóa hệ thống chống sét trong trạm viễn thông.

5. Làm thế nào để duy trì hiệu quả của hệ thống chống sét?
   Cần thực hiện bảo trì định kỳ, kiểm tra thiết bị bảo vệ, hệ thống tiếp đất và đào tạo nhân viên kỹ thuật để phát hiện và khắc phục kịp thời các hư hỏng, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

Kết luận

• Sét gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho trạm viễn thông, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ và kinh tế.
• Mô hình trạm viễn thông điển hình và mô phỏng ATP-EMTP giúp đánh giá chính xác tác động của sét và hiệu quả thiết bị bảo vệ.
• Chống sét van MOV là thiết bị bảo vệ hiệu quả, có khả năng giảm điện áp và dòng điện xung sét đáng kể.
• Phân vùng bảo vệ LPZ theo tiêu chuẩn IEC là giải pháp tối ưu trong thiết kế hệ thống chống sét.
• Đề xuất các giải pháp lắp đặt thiết bị bảo vệ, hệ thống tiếp đất và đào tạo nhân viên nhằm nâng cao độ an toàn và ổn định của trạm.

Next steps: Triển khai thực nghiệm các giải pháp đề xuất tại các trạm viễn thông thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về chống sét cho các hệ thống viễn thông hiện đại hơn.

Call to action: Các đơn vị quản lý và kỹ sư thiết kế trạm viễn thông nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả phòng chống sét, bảo vệ tài sản và đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm qua, cứ mỗi khi mùa mƣa đến, ngoài việc chuẩn bị các biện pháp phòng chống bão lụt chúng ta còn phải quan tâm đến một hiện tƣợng thiên nhiên khác có tác hại nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và con ngƣời đó là sét. Tác hại của sét là rất lớn, bao gồm tác hại do sét đánh trực tiếp, tác hại gián tiếp do cảm ứng tĩnh điện từ. Sự phá hủy của hầu hết các tia sét đánh trực tiếp rất rõ ràng, không những ảnh hƣởng đến vật chất mà còn gây thiệt hại đến tính mạng con ngƣời. Do tốc độ phát triển của nền kinh tế đất nƣớc, thông tin liên lạc đóng một vai trò hết sức quan trọng, các trạm viễn thông không ngừng đƣợc nâng cấp và xây dựng thêm.

Nhu cầu sử dụng điện thoại di động ngày càng tăng và số lƣợng điện thoại di động mà các trạm có thể kết nối là có giới hạn từ đó các công ty điện thoại còn muốn mở rộng thêm nhiều vùng phủ sóng khác. Điểm đặc biệt nhà trạm viễn thông thƣờng đƣợc chọn lắp đặt ở những nơi cao, nên khả năng xảy ra hiện tƣợng sét đánh là rất lớn. Theo thống kê đối với ngành Bƣu Chính Viễn Thông vào năm 2011 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. Với đặc thù trải rộng khắp cả nƣớc, 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.

Chính vì lý do đó đề tài “Nghiên cứu giải pháp chống sét trong trạm viễn thông” đƣợc hình thành. HVTH : Bùi Kim Cường Trang 1 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ TRẠM VIỄN THÔNG Trạm viễn thông thực hiện tất cả các chức năng thu phát liên quan đến giao diện vô tuyến hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) và xử lí tín hiệu ở mức độ nhất định. Về 1 số phƣơng diện có thể coi trạm viễn thông là modem vô tuyến phức tạp nhận tín hiệu vô tuyến đƣờng lên từ thiết bị di động (MS) rồi biến đổi nó thành dữ liệu để truyền đi đến các máy khác trong mạng GSM, và nhận dữ liệu từ mạng GSM rồi biến đổi nó thành tín hiệu vô tuyến phát đến MS.

Các trạm viễn thông tạo nên vùng phủ sóng, vị trí của chúng quyết định dung lƣợng và vùng phủ của mạng. Tuy nhiên trạm viễn thông chỉ đóng vai trò phụ trong việc phân phối tài nguyên vô tuyến cho các MS khác nhau.1 Hoạt động tổng quan trong trạm viễn thông. Một số thành phần chính của trạm phát sóng viễn thông nói chung : - Tủ BTS tủ chứa đựng các thiết bị điện tử trong nhà trạm viễn thông, tủ BTS phụ thuộc vào nhà cung cấp và công nghệ sử dụng. HVTH : Bùi Kim Cường Trang 2 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh - Tủ Rectifier thƣờng đi kèm với nhà cung cấp tủ BTS, về cơ bản hiểu là chuyển dòng điện xoay chiều sang một chiều.

- Hệ thống máy lạnh : đảm bảo nhiệt độ hoạt động của các thiết bị điện tử. - Hệ thống bảo vệ chống sét và nối đất : bảo vệ trạm viễn thông chống khỏi sét đánh trực tiếp hay gián tiếp. - Hệ thống đèn tƣờng và đèn khẩn cấp : hoạt động khi cúp điện, giúp kĩ sƣ thao tác. - Hệ thống báo cháy và hệ thống bình chữa cháy.

- Hệ thống tủ phân phối điện. - Tháp antenna : dùng để đặt antenna thu phát sóng viễn thông. - Hệ thống feeder : cơ bản truyền sóng từ tủ BTS lên antenna phát sóng. - Hệ thống DDF : thƣờng gọi là rack DDF dùng để lắp các thiết bị tryền dẫn.

Tất cả các yếu tố trên kết hợp với nhau tạo thành một trạm viễn thông hoàn chỉnh.2 Tổng quan chung nhà trạm viễn thông HVTH : Bùi Kim Cường Trang 3 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh 1. TỔNG QUAN VỀ SÉT Sét (hay còn gọi là sự phóng điện dông) là một nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất xảy ra trong tự nhiên, nó thƣờng xảy ra vào mùa hè là thời điểm mà sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất và không khí rất lớn. Những luồng không khí nóng mang theo hơi nƣớc bay lên đến một độ cao nào đấy và nguội dần, lúc đó hơi nƣớc tạo thành những giọt nƣớc nhỏ hay gọi là tinh thể băng chúng tích tụ trong không gian dƣới dạng những đám mây. Trái đất càng bị nóng thì không khí nóng càng bay lên cao hơn, mây càng dày hơn đến một lúc nào đó thì các tinh thể băng trong mây sẽ lớn dần và rơi xuống thành mƣa.

Mây càng dày thì màu của nó càng đen hơn. Sự va chạm của các luồng khí nóng đi lên và các tinh thể băng đi xuống trong đám mây sẽ làm xuất hiện các điện tích mà ta gọi là đám mây bị phân cực điện hay đám mây tích điện. Các phần tử điện tích âm có khối lƣợng lớn nên nằm dƣới đáy đám mây còn các phần tử điện tích dƣơng nhẹ hơn nên bị đẩy lên phần trên của đám mây.3 Phân bố điện tích khi có đám mây dông Nhƣ vậy trong bản thân đám mây đã hình thành một điện trƣờng cục bộ của một lƣỡng cực điện và dƣới tác dụng của điện trƣờng cục bộ này các phần tử sẽ di chuyển nhanh hơn, điện tích đƣợc tạo ra nhiều hơn và điện trƣờng càng mạnh hơn. Quá trình HVTH : Bùi Kim Cường Trang 4 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh này tiếp diễn cho đến lúc điện trƣờng đạt giá trị tới hạn và gây ra phóng điện nội bộ trong đám mây mà ta gọi là chớp.

Ngoài ra khoảng không gian bên dƣới đám mây thƣờng có một lớp điện tích dƣơng gọi là điện tích không gian vì vậy giữa phần đáy đám mây mang điện âm và lớp điện tích dƣơng này lại hình thành một điện trƣờng riêng và chính điện trƣờng này làm phát sinh một tia sét ban đầu gọi là dòng tiên đạo di chuyển xuống đất. Trong quá trình phát triển xuống đất, dòng tiên đạo mang theo một điện thế rất lớn sẽ ion hóa lớp không khí trên đƣờng đi của nó, nơi nào có cách điện không khí yếu thì dòng tiên đạo sẽ phát triển về hƣớng đó vì vậy ta thấy dòng tia sét đi xuống không phải là đƣờng thẳng mà thƣờng có dạng ngoằn ngoèo, phân nhánh. Ngoài ra do hiệu ứng cảm ứng điện nên phần mặt đất nằm bên dƣới đám mây dông sẽ mang một lƣợng điện dƣơng. Lƣợng điện này sẽ phân bố trên các vật có khả năng dẫn điện nhƣ nhà cửa, cây cối, công trình, trụ điện, tháp anten., vật nào dẫn điện càng tốt thì điện tích phân bố trên vật đó càng lớn và điện trƣờng của nó càng mạnh so với các vật xung quanh.

Vì vậy, khi dòng tiên đạo phát triển xuống gần mặt đất thì nó sẽ chọn vật có điện trƣờng mạnh nhất để đánh vào mà ta gọi là phóng điện sét, nơi tiếp xúc của chúng gọi là kênh sét. Đây là thời điểm trao đổi điện tích giữa đám mây và mặt đất đƣợc gọi là giai đoạn trung hòa điện tích, dòng điện trong kênh sét lúc này rất lớn có thể đến 200kA nên bị nóng lên rất mạnh khoảng 20.0000C và do đó ta thấy nó sáng chói lên (cũng đƣợc gọi là chớp). Dƣới tác dụng của nhiệt độ này, lớp không khí chung quanh kênh sét bị giãn nỡ mạnh gây ra tiếng nổ lớn mà ta gọi là sấm. Do ánh sáng có vận tốc lớn hàng triệu lần so với âm thanh nên ta thấy ánh chớp trƣớc rồi sau đó một lúc mới nghe thấy tiếng sấm.

Để rõ hơn quá trình phóng điện sét đƣợc chia làm ba giai đoạn chủ yếu nhƣ sau :  Giai đoạn phóng tia tiên đạo (hình 1.4) Ban đầu xuất phát từ mây giông một tia tiên đạo mờ, phát triển thành từng đợt gián đoạn về phía mặt đất, với tốc độ trung bình khoảng 105 - 106m/s. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện khoảng 1013 – 1014 ion/m3, một phần diện tích âm của mây giông tràn vào kênh và phân bố tƣơng đối đều dọc theo chiều dài của nó. Thời gian phát triển của tia tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1μs. Thời gian tạm ngƣng phát triển giữa hai đợt khoảng 30 - 90μs.

HVTH : Bùi Kim Cường Trang 5 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình.4 Giai đoạn phóng tia tiên đạo Đƣờng đi của tiên đạo trong thời gian này không phụ thuộc vào tình trạng mặt đất và các vật trên mặt đất, do đó nó gần nhƣ hƣớng thẳng về phía mặt đất. Cho đến khi tia tiên đạo đạt đến độ cao định hƣớng thì mới bị ảnh hƣởng bởi các vùng điện tích tập trung dƣới mặt đất.  Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa Dƣới tác dụng của điện trƣờng tạo nên bởi điện tích của mây giông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu trên vùng mặt đất phía dƣới đám mây giông. Nếu vùng đất phía dƣới có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích tập trung sẽ nằm trực tiếp dƣới kênh tiên đạo, nếu vùng đất phía dƣới có điện dẫn khác nhau thì điện tích chủ yếu tập trung ở vùng kế cận nơi có điện dẫn cao nhƣ vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nƣớc ngầm, kết cấu kim loại các tòa nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ƣớt trong mƣa ….

Chính các vùng điện tích tập trung này sẽ định hƣớng hƣớng phát triển của tiên đạo hƣớng xuống dƣới khi nó đạt đến độ cao định hƣớng, tia tiên đạo sẽ phát triển theo hƣớng có điện trƣờng lớn nhất. Do đó các vùng tập trung điện tích sẽ là nơi sét đánh vào. Ở những vật dẫn có độ cao nhƣ nhà cao tầng, cột angten các đài phát thì từ đỉnh của nó nơi các điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện dòng tiên đạo phát triển hƣớng lên đám mây giông. Chiều dài của kênh tiên đạo từ dƣới này tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện sễ dàng cho sự định hƣớng của sét vào vật dẫn đó.

HVTH : Bùi Kim Cường Trang 6 Luan van Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 1.5 Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt.