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 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 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 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 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 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 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.