Luận văn Thạc sĩ Toán: nghiên cứu phương pháp tính toán rủi ro do sét gây

Nghiên cứu chuyên sâu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp tính toán rủi ro do sét gây ra đối với t, phương pháp luận hiện đại, kết quả ứng dụng

• Tác giả: Đinh Bảo Hà
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Duy Phong
• Trường học: Trường Đại học Điện lực
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp tính toán rủi ro do sét gây ra đối với trạm viễn thông
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái Niệm Về Rủi Ro Do Sét Gây

Rủi ro do sét gây là nguy hiểm tiềm ẩn gây ra bởi các tia sét tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến các công trình, thiết bị và con người. Trong lĩnh vực kỹ thuật, việc tính toán rủi ro sét có vai trò quan trọng để đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng, nhà máy điện, hệ thống viễn thông và các thiết bị điện tử. Luận văn thạc sĩ về phương pháp tính toán rủi ro sét cung cấp nền tảng lý thuyết và ứng dụng thực tiễn để đánh giá mức độ nguy hiểm và đề xuất giải pháp phòng chống hiệu quả.

1.1. Định Nghĩa Rủi Ro Sét

Rủi ro sét được định nghĩa là xác suất xảy ra thiệt hại hoặc tổn thất do tia sét trong một khoảng thời gian nhất định. Đại lượng này kết hợp giữa tần suất xảy ra tia sét và mức độ ảnh hưởng tiềm tàng của chúng đến đối tượng bảo vệ.

1.2. Tầm Quan Trọng Trong Ngành Kỹ Thuật

Tính toán rủi ro sét giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống chống sét phù hợp, giảm thiểu thiệt hại kinh tế và bảo vệ tính mạng con người. Nó là cơ sở để tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 62305.

II. Các Phương Pháp Tính Toán Rủi Ro Sét

Tính toán rủi ro sét dựa trên nhiều phương pháp khác nhau từ phương pháp thống kê truyền thống đến các mô hình tính toán hiện đại. Các phương pháp này bao gồm phân tích tần suất sét, đánh giá tính dễ bị tổn thương của công trình, và tính toán mức độ mất mát tiềm tàng. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại công trình và điều kiện địa lý khác nhau.

2.1. Phương Pháp Thống Kê Truyền Thống

Dựa trên dữ liệu lịch sử về tần suất sét trong khu vực, phương pháp này sử dụng các bản đồ mật độ sét và tần suất tia sét trên mặt đất để ước tính xác suất xảy ra tia sét.

2.2. Phương Pháp Mô Hình Rủi Ro Xác Suất

Phương pháp này kết hợp xác suất xảy ra sét với xác suất gây ra thiệt hại, tính đến các yếu tố bảo vệ và giảm thiểu rủi ro hiện có của công trình.

III. Các Thành Phần Chính Trong Mô Hình Tính Toán

Mô hình tính toán rủi ro sét bao gồm nhiều thành phần quan trọng như tần suất lây sét, hệ số tính dễ bị tổn thương, hệ số giảm thiểu rủi ro, và giá trị tổn thất tiềm tàng. Việc xác định chính xác từng thành phần là chìa khóa để có kết quả tính toán đáng tin cậy. Luận văn thạc sĩ sẽ chi tiết phân tích vai trò của từng thành phần trong quá trình đánh giá toàn diện rủi ro sét.

3.1. Tần Suất Lây Sét

Tần suất lây sét được tính dựa trên mật độ sét trong khu vực, diện tích thu hút sét và đặc điểm hình học của công trình, được biểu thị bằng số tia sét trên mét vuông mỗi năm.

3.2. Hệ Số Dễ Bị Tổn Thương Và Giảm Thiểu

Hệ số này phản ánh khả năng chống sét của công trình, bao gồm tính chất vật liệu, hệ thống tiếp đất, và các biện pháp bảo vệ sẵn có, dao động từ 0 đến 1.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Kết Luận

Phương pháp tính toán rủi ro sét được áp dụng rộng rãi trong thiết kế bảo vệ các công trình quan trọng như trạm biến áp, tháp truyền hình, bệnh viện, và các tòa nhà chọc trời. Kết quả tính toán giúp xác định mức độ bảo vệ cần thiết và chọn giải pháp phòng chống sét phù hợp. Luận văn thạc sĩ cung cấp hướng dẫn toàn diện để các chuyên gia áp dụng trong thực tiễn.

4.1. Ứng Dụng Cho Các Công Trình Quan Trọng

Các công trình như nhà máy điện, trạm truyền thông, và bệnh viện yêu cầu tính toán rủi ro sét chi tiết để đảm bảo hoạt động liên tục và bảo vệ thiết bị đắt giá.

4.2. Xu Hướng Phát Triển Tương Lai

Với sự phát triển công nghệ, các phương pháp tính toán rủi ro sét ngày càng chính xác hơn, kết hợp với dữ liệu vệ tinh và mô phỏng máy tính để cải thiện độ tin cậy của đánh giá.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trọn trong khu vực nhiệt đới gió mùa châu Á, là một trong những tâm giông bão có cường độ hoạt động dông sét mạnh với mật độ sét đánh dao động phổ biến từ 1,4 đến trên 13,7 lần/km2/năm theo số liệu quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2022/BXD. Hàng năm, mạng lưới viễn thông trên cả nước phải hứng chịu hàng trăm nghìn cú phóng điện sét trực tiếp và cảm ứng lan truyền. Thực tế vận hành cho thấy các trạm thu phát sóng di động (BTS) với cột anten cao từ 30 đến 60 mét, thường đặt tại các vị trí đồi núi cao hoặc khu vực không gian thoáng đãng, trở thành đối tượng dễ bị sét đánh trúng nhất. Hiện tượng này gây ra các xung quá điện áp đột biến, phá hủy nghiêm trọng hệ thống thiết bị cơ điện và thiết bị viễn thông, làm gián đoạn thông tin liên lạc và gây thiệt hại kinh tế ước tính hàng triệu USD mỗi năm cho các doanh nghiệp viễn thông.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử của tác giả Đinh Bảo Hà, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Duy Phong tại Trường Đại học Điện lực vào năm 2024, đã giải quyết trực diện bài toán cấp thiết này. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là nghiên cứu, hoàn thiện và cải tiến phương pháp tính toán rủi ro do sét gây ra đối với trạm viễn thông, từ đó đề xuất mô hình giải pháp bảo vệ chống sét toàn diện, tối ưu cả về mặt kỹ thuật lẫn hiệu quả đầu tư kinh tế.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào hệ thống trạm BTS thuộc Tổng công ty Mạng lưới Viettel, trọng tâm là khu vực miền Bắc do Trung tâm kỹ thuật Khu vực 1 quản trị, với chuỗi dữ liệu sự cố và quan trắc thực tế thu thập liên tục từ tháng 01/2018 đến tháng 11/2020. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp bộ công cụ định lượng chính xác rủi ro hư hỏng, góp phần giảm thiểu từ 70% đến 85% nguy cơ sự cố cháy nổ do xung sét, nâng cao chỉ số sẵn sàng của mạng lưới lên mức 99,99% và bảo vệ an toàn tính mạng cho đội ngũ kỹ thuật vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết trường điện từ, lý thuyết phóng điện dông sét trong khí quyển và hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngành viễn thông quốc tế. Cụ thể, đề tài kết hợp chặt chẽ giữa Tiêu chuẩn quốc tế IEC 62305 (bao gồm các phần từ IEC 62305-1 đến IEC 62305-4 về quản lý rủi ro và bảo vệ chống xung điện từ sét), Khuyến nghị ITU-T K.39 của Liên minh Viễn thông Quốc tế về đánh giá rủi ro đối với công trình viễn thông và mạng cáp ngoại vi, cùng Quy chuẩn QCVN 02:2022/BXD của Bộ Xây dựng.

Hệ thống khung lý thuyết tập trung vào bốn khái niệm kỹ thuật nền tảng:

• Dòng sét xung: Đại lượng định lượng đặc trưng cho năng lượng sét, được mô tả qua biên độ cực đại IS từ 20 kA (xác suất xuất hiện 50%) đến 200 kA (xác suất xuất hiện khoảng 1%), độ dốc sườn trước dI/dt đạt từ 10 đến 140 kA/microgiây và thời gian xung T1/T2 danh định 10/350 microgiây đối với sét đánh trực tiếp hoặc 8/20 microgiây đối với sét lan truyền.
• Cấp bảo vệ chống sét (LPL): Quy định từ cấp I đến cấp IV tương ứng với các tham số dòng sét cực đại từ 100 kA đến 200 kA và bán kính quả cầu lăn từ 20 mét đến 60 mét để xác định phạm vi không gian bảo vệ của kim thu sét.
• Phân vùng bảo vệ chống sét (LPZ): Mô hình chia không gian trạm thành các vùng LPZ 0A, LPZ 0B, LPZ 1 và LPZ 2 nhằm thiết lập các ranh giới che chắn điện từ và lắp đặt thiết bị cắt lọc sét đa cấp.
• Rủi ro chấp nhận được (RT): Chỉ số giới hạn tổn thất cho phép về người và dịch vụ công cộng, thường được xác định ở ngưỡng 0,001 đến 0,0001 mỗi năm để làm căn cứ quyết định mức độ đầu tư bảo vệ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp phân tích giải tích định lượng kết hợp với phương pháp thống kê thực nghiệm trên tập dữ liệu lịch sử vận hành. Nguồn dữ liệu sơ cấp được trích xuất từ hệ thống quản lý sự cố mạng lưới của Viettel với cỡ mẫu nghiên cứu gồm 150 trạm BTS đại diện tại các tỉnh thành có mật độ sét biến thiên mạnh từ 5,7 đến 13,8 lần/km2/năm. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích, phân loại theo ba nhóm địa hình đặc trưng: vùng đồng bằng phù sa có điện trở suất đất thấp (10 đến 50 Ohm.m), vùng đồi núi đá có điện trở suất đất cao (500 đến trên 1000 Ohm.m), và vùng ven biển có nồng độ muối cao.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích định lượng kết hợp ma trận rủi ro theo tiêu chuẩn IEC 62305 xuất phát từ việc các phương pháp truyền thống trước đây chỉ dựa vào khuyến nghị ITU-T K.39 đơn thuần, vốn chỉ chú trọng đến mạng cáp ngoại vi mà bỏ qua các tác động tương hỗ phức tạp giữa bãi tiếp địa, xung điện từ lan truyền qua đường nguồn AC và quá điện áp cảm ứng trên cáp phi-đơ. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt 24 tháng, bao gồm các bước: thu thập số liệu thực địa giai đoạn 2018 - 2020, mô hình hóa giải tích trên máy tính, thử nghiệm kiểm chứng tại các trạm điển hình năm 2023 và hoàn thiện bộ tiêu chí kỹ thuật năm 2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu thực tế và tính toán giải tích đã đưa ra bốn phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, về đặc tính dòng sét, sét vạch đánh từ đám mây xuống đất phân cực âm chiếm tỷ lệ áp đảo từ 85% đến 95% tổng số trường hợp ghi nhận. Lượng điện tích trung bình đưa xuống đất tại vùng đồng bằng đạt 25 C (dao động trong khoảng 10 đến 50 C), trong khi tại vùng núi cao con số này tăng gấp 2,4 lần, đạt mức trung bình 60 C (dao động từ 30 đến 100 C). Đáng chú ý, các cú sét đánh trực tiếp vào đỉnh tháp anten viễn thông có thể truyền tải điện lượng cực đại lên tới 160 C với biên độ dòng sét đỉnh 200 kA.

Thứ hai, nghiên cứu xác định số lượng sét lặp lại trên cùng một kênh phóng điện dao động từ 2 đến 5 lần trong 25% đến 70% các trường hợp quan sát, với số lần lặp trung bình là 3 lần. Thời gian sườn trước của xung dòng sét cực ngắn, trung bình T1 chỉ khoảng 2 microgiây, tạo ra tốc độ biến thiên dòng điện cực lớn gây ra hiện tượng cảm ứng điện từ tức thời có sức phá hủy rất cao đối với các vi mạch nhạy cảm.

Thứ ba, thống kê cơ cấu hư hỏng tại các trạm BTS Viettel giai đoạn 2018 - 2020 cho thấy sự mất cân đối nghiêm trọng: nhóm thiết bị cơ điện phụ trợ chiếm tới 58% tổng số vụ hỏng hóc (chủ yếu là tủ chuyển nguồn tự động ATS, tủ nắn dòng AC/DC, bình ắc quy và thiết bị chống sét sơ cấp), trong khi nhóm thiết bị viễn thông chiếm 42% (tập trung vào khối xử lý băng gốc BaseBand, khối vô tuyến RRU trên cột và các cổng giao tiếp truyền dẫn quang, viba).

Thứ tư, mật độ sét đánh có sự phân hóa cực kỳ sâu sắc giữa các vùng địa lý theo số liệu quy chuẩn. Mật độ sét tại các tỉnh cực Nam như Cà Mau đạt mức kỷ lục 13,8 lần/km2/năm, Cần Thơ đạt 13,2 lần/km2/năm, trong khi khu vực Bắc Bộ như Hà Nam đạt 10,2 lần/km2/năm, Hà Nội đạt 9,8 lần/km2/năm, và thấp nhất là khu vực Nam Trung Bộ như Ninh Thuận chỉ đạt 1,8 lần/km2/năm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tỷ lệ hỏng hóc cao của nhóm cơ điện (58%) là do hầu hết các xung sét xâm nhập vào trạm viễn thông thông qua đường cấp nguồn hạ thế và hệ thống tiếp đất chung. Khi dòng sét cực đại hàng chục kA chảy qua bãi tiếp địa có điện trở suất đất lớn, tác động Galvanic làm tăng thế đất cục bộ lên hàng trăm kilovolt, tạo ra chênh lệch điện thế bước và điện thế chạm nguy hiểm, đồng thời sinh ra dòng điện ngược đánh thủng lớp cách điện của tủ nguồn AC/DC.

So sánh với các nghiên cứu trước đây vốn chỉ áp dụng tiêu chuẩn ITU-T K.39 để tính toán rủi ro cáp truyền dẫn, phương pháp cải tiến theo chuẩn IEC 62305 trong luận văn này đã bổ sung việc đánh giá rủi ro do sét đánh gần công trình và sét xâm nhập qua đường nguồn AC, giúp phát hiện thêm 35% các nguy cơ tiềm ẩn gây gián đoạn dịch vụ mà mô hình cũ bỏ sót.

Các dữ liệu nghiên cứu này được trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ phân bố tần suất hư hỏng thiết bị qua các năm 2018, 2019, 2020 kết hợp với bảng ma trận đánh giá rủi ro theo bốn cấp bảo vệ LPL (từ LPL I với dòng sét tính toán 200 kA, bán kính quả cầu lăn 20 mét đến LPL IV với dòng sét 100 kA, bán kính quả cầu lăn 60 mét). Bảng tổng hợp điện trở suất của các loại đất khác nhau (từ đất đầm lầy 10 Ohm.m đến đất đồi cát khô trên 1000 Ohm.m) cung cấp cơ sở toán học vững chắc để các kỹ sư thiết kế mạng lưới bãi tiếp địa phù hợp cho từng vị trí nhà trạm cụ thể.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán định lượng rủi ro, tác giả đưa ra bốn nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao:

Thứ nhất, chuẩn hóa và thi công cải tạo hệ thống tiếp địa liên kết đẳng thế. Đơn vị kỹ thuật hạ tầng cần tiến hành đóng cọc đồng tiếp địa sâu từ 2,5 đến 3 mét, kết hợp hàn hóa nhiệt liên kết các mạch vòng tiếp địa xung quanh chân cột anten và nhà trạm viễn thông. Mục tiêu kỹ thuật bắt buộc là duy trì điện trở tiếp đất dưới 4 Ohm đối với trạm BTS thông thường và dưới 1 Ohm đối với các trạm nút mạng trung tâm. Timeline hoàn thành: Triển khai cuốn chiếu từ Quý 1 đến Quý 3 năm 2025. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Kỹ thuật Mạng lưới Viettel tại các khu vực.

Thứ hai, lắp đặt hệ thống thiết bị cắt lọc sét đa tầng (SPD) tại các ranh giới phân vùng LPZ. Chủ động trang bị thiết bị cắt sét sơ cấp Type 1 chịu dòng xung 50 đến 100 kA dạng sóng 10/350 microgiây tại tủ phân phối nguồn AC tổng, kết hợp thiết bị cắt sét thứ cấp Type 2 chịu dòng cắt 20 đến 40 kA dạng sóng 8/20 microgiây tại đầu vào tủ nguồn DC và các đường tín hiệu cáp đồng. Target: Giảm thiểu trên 90% biên độ quá điện áp đột biến truyền vào thiết bị nhạy cảm. Timeline: Thực hiện trong 12 tháng năm 2025. Chủ thể thực hiện: Đội ngũ kỹ sư vận hành khai thác trạm.

Thứ ba, nâng cấp hệ thống kim thu sét và dây thoát sét trên tháp anten. Tiến hành thay thế các kim thu sét cổ điển bằng kim thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE) hoặc bố trí kim thu sét theo mô hình quả cầu lăn chuẩn LPL I/II, sử dụng dây thoát sét bằng đồng bọc cách điện nhiều lớp có tiết diện tối thiểu từ 50 mm2 đến 70 mm2 chạy thẳng trực tiếp xuống bãi tiếp địa mà không đi chung máng cáp tín hiệu. Target: Triệt tiêu 98% nguy cơ sét đánh tạt ngang vào khối RRU và phi-đơ. Timeline: Giai đoạn 2025 - 2026. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Dự án Đầu tư Hạ tầng Viễn thông.

Thứ tư, số hóa quy trình tính toán rủi ro sét tự động. Phòng công nghệ thông tin cần phát triển phần mềm tính toán rủi ro tự động tích hợp bản đồ số GIS mật độ sét theo QCVN 02:2022/BXD, áp dụng bắt buộc vào quy trình thẩm định thiết kế cho 100% trạm viễn thông xây mới trước khi phê duyệt thi công. Timeline: Hoàn thiện phần mềm trong Quý 2 năm 2025. Chủ thể thực hiện: Khối Nghiên cứu Phát triển và Khối Kỹ thuật Doanh nghiệp viễn thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu có giá trị tham khảo chuyên môn sâu rộng cho bốn nhóm đối tượng chính trong ngành điện tử, viễn thông và năng lượng:

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế và quy hoạch hạ tầng mạng viễn thông. Tài liệu cung cấp phương pháp luận toán học chính xác theo chuẩn IEC 62305 và ITU-T K.39 để tính toán diện tích thu sét tương đương, xác định cấp bảo vệ LPL và thiết kế tối ưu hệ thống bãi tiếp địa ngay từ giai đoạn lập báo cáo nghiên cứu tiền khả thi.

Thứ hai, đội ngũ kỹ sư vận hành và bảo dưỡng mạng lưới tại các doanh nghiệp viễn thông lớn như Viettel, VNPT, MobiFone. Luận văn cung cấp cẩm nang thực hành chi tiết về sơ đồ đấu nối đẳng thế, kỹ thuật xử lý xung đột đất và quy trình khắc phục các lỗi quá điện áp gây cháy hỏng thiết bị cơ điện và viễn thông trong mùa mưa bão.

Thứ ba, các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông và Kỹ thuật Điện lực. Đây là nguồn tư liệu học thuật giá trị, kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết phóng điện khí quyển, mô hình hóa toán học xác suất dòng sét và số liệu thực nghiệm đo đạc quy mô lớn tại Việt Nam.

Thứ tư, các nhà quản lý kỹ thuật và chủ đầu tư công trình hạ tầng công nghệ thông tin. Nghiên cứu giúp lượng hóa rủi ro thành thiệt hại tài chính cụ thể, làm căn cứ vững chắc để ra quyết định phân bổ ngân sách đầu tư bảo vệ chống sét một cách khoa học, tránh lãng phí hoặc đầu tư thiếu đồng bộ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao trạm BTS viễn thông tại Việt Nam có nguy cơ bị sét đánh cao hơn nhiều so với công trình xây dựng thông thường? Cột tháp anten trạm BTS thường có chiều cao từ 30 đến 60 mét, đặt ở vị trí cao trống trải và làm bằng kim loại dẫn điện. Kết hợp với mật độ dông sét tại Việt Nam đạt từ 5,7 đến 13,8 lần/km2/năm, trạm BTS trở thành điểm thu hút điện tích tiên đạo cực mạnh, khiến xác suất bị sét đánh trực tiếp cao hơn hàng chục lần so với nhà dân.

Tiêu chuẩn IEC 62305 vượt trội hơn Khuyến nghị ITU-T K.39 ở những điểm nào khi tính toán rủi ro trạm BTS? Khuyến nghị ITU-T K.39 chỉ tập trung chủ yếu vào nguy cơ sét đánh gây hỏng tuyến cáp và thiết bị đầu cuối viễn thông. Tiêu chuẩn IEC 62305 toàn diện hơn khi định lượng đầy đủ 4 loại tổn thất và phân tích chi tiết mọi nguồn nguy hiểm, bao gồm cả sét đánh vào công trình, sét đánh gần công trình và sét truyền qua lưới điện lực.

Nhóm thiết bị nào trong trạm phát sóng dễ bị cháy hỏng nhất khi có xung sét xâm nhập? Số liệu thực tế giai đoạn 2018 - 2020 chứng minh nhóm thiết bị cơ điện chiếm tới 58% tỷ lệ hỏng hóc, gồm tủ chuyển nguồn tự động ATS, tủ nắn dòng AC/DC và bình ắc quy do phải hứng chịu trực tiếp xung dòng sơ cấp. Nhóm thiết bị viễn thông như BaseBand và RRU chiếm 42% do cảm ứng điện từ từ cáp phi-đơ.

Điện trở tiếp đất tiêu chuẩn của trạm thu phát sóng viễn thông được quy định là bao nhiêu Ohm? Theo quy chuẩn kỹ thuật ngành và kết quả tính toán trong luận văn, điện trở bãi tiếp địa của trạm BTS phải đạt giá trị dưới 4 Ohm trong mọi điều kiện thời tiết, và đối với các trạm trung tâm chuyển mạch quan trọng phải đạt dưới 1 Ohm nhằm đảm bảo tiêu tán nhanh dòng sét 20 đến 200 kA xuống đất an toàn.

Mô hình phân vùng chống sét LPZ giúp bảo vệ các vi mạch nhạy cảm như thế nào? Mô hình LPZ chia trạm thành các cấp bảo vệ từ LPZ 0 ngoài trời đến LPZ 2 trong phòng máy. Thông qua việc che chắn điện từ và lắp đặt các thiết bị cắt sét đa tầng Type 1 và Type 2 tại từng ranh giới phân vùng, mức năng lượng và điện áp xung sét được suy giảm trên 95% trước khi tiếp cận linh kiện điện tử.

Kết luận

• Luận văn hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về bản chất phóng điện dông sét, các đặc tính dòng sét xung cực đại và cơ chế lan truyền quá điện áp trong công trình viễn thông tại Việt Nam.
• Ứng dụng thành công và cải tiến phương pháp tính toán rủi ro thiệt hại do sét gây ra dựa trên sự kết hợp giữa tiêu chuẩn IEC 62305 và khuyến nghị ITU-T K.39.
• Phân tích chi tiết bộ dữ liệu thực nghiệm trên 150 trạm BTS của Viettel, xác định rõ cơ cấu hỏng hóc thiết bị với 58% thuộc nhóm cơ điện và 42% thuộc nhóm thiết bị viễn thông.
• Đề xuất mô hình giải pháp chống sét tổng thể bao gồm hệ thống tiếp địa liên kết đẳng thế dưới 4 Ohm, thiết bị cắt lọc sét đa cấp SPD và thiết kế phân vùng bảo vệ LPZ chuẩn hóa.
• Định hướng lộ trình số hóa quy trình quản lý và tính toán tự động rủi ro dông sét trên nền tảng cơ sở dữ liệu GIS cho toàn bộ hạ tầng trạm phát sóng viễn thông giai đoạn 2025 - 2026.

Đóng góp lớn nhất của công trình khoa học của tác giả Đinh Bảo Hà là giải quyết trọn vẹn bài toán cân bằng giữa yêu cầu an toàn kỹ thuật khắt khe và hiệu quả kinh tế trong đầu tư hạ tầng viễn thông. Để nâng cao chất lượng dịch vụ mạng và bảo vệ tối đa nguồn tài sản thiết bị, các doanh nghiệp và đơn vị vận hành viễn thông cần nhanh chóng áp dụng bộ tiêu chí tính toán rủi ro này vào thực tiễn quy hoạch, thiết kế và cải tạo mạng lưới ngay trong năm 2025.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU VỀ SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SÉT GÂY RA ĐỐI VỚI CÁC TRẠM VIỄN THÔNG 1. Nghiên cứu về giông sét 1. Các đặc điểm cơ bản của sét Sự hình thành của sét: Những giọt nước và hạt băng bên trong một đám mây mang theo các điện tích điện. Một số trong số này là điện tích dương và một số khác là điện tích âm.

Sét thường xảy ra khi có quá nhiều điện tích âm tích tụ trong một đám mây. Để cân bằng những điện tích âm này, các điện tích dương hình thành dưới đám mây trên mặt đất. Vì các điện tích trái dấu hút nhau, các điện tích âm trong đám mây muốn kết hợp với các điện tích dương trên mặt đất. Việc các điện tích kết hợp với nhau khó khăn vì điện không di chuyển dễ dàng qua không khí.

Tuy nhiên, khi đám mây phát triển, sức mạnh của các điện tích cũng tăng lên. Cuối cùng, các điện tích vượt quá khả năng chịu đựng của không khí và đám mây phát ra một dòng điện âm mạnh mẽ. Khi dòng điện âm di chuyển xuống mặt đất, một dòng điện dương nhảy từ mặt đất để gặp gỡ nó. Khi các dòng điện kết hợp, một tia sáng chói lọi ra phía trên trở lại đám mây.

Đó là một tia sét. Quá trình này lặp lại cho đến khi tất cả các điện tích âm trong đám mây đã được sử dụng.1: Sự hình thành của sét 1 Giá trị điện tích: Trong quá trình sét, điện tích mang dao động trong phạm vi từ 0,1 đến vài chục C. Sét đánh xuống các vùng khác nhau sẽ đưa xuống đất các lượng điện tích khác nhau. Sét đánh xuống vùng đồng bằng đưa xuống đất một lượng điện tích trong khoảng (10 ÷ 50) C (trung bình 25 C), trong khi sét đánh xuống vùng núi đưa đi một lượng điện tích trong khoảng (30 ÷ 100) C (trung bình 60 C), còn khi sét đánh xuống các tháp anten đưa đi một lượng điện tích đến 160 C.

Điện tích âm đưa xuống đất chiếm (85 ÷ 95)% trong đa số các trường hợp khi sét đánh xuống đất. Đường cong xác suất phân bố điện tích được trình bày trên hình sau: Hình 1.2: Đường cong xác suất phân bố điện tích Ngoài sét giữa đám mây và mặt đất mà hầu hết mọi người quen thuộc, sét có thể xảy ra bên trong một đám mây, giữa các đám mây, hoặc giữa một đám mây và không khí. Sự tích tụ và giải phóng điện tích điện tạo ra tất cả các loại sét khác nhau:Theo dấu hiệu phía ngoài sét được phân ra thành một số loại. Loại phổ biến nhất là sét vạch với các dạng khác nhau như: sét dải, sét dạng tên lửa, sét dạng chữ chi và dạng nhánh, loại hiếm thấy nhất là sét cầu.

Sét vạch thường gặp nhất trong thiên nhiên và cũng chính là nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất. Sét vạch gồm có các loại như sau: - Sét vạch “đám mây - đất”; - Sét vạch “đám mây - lớp khí quyển phía trên”; 2 - Sét vạch bên trong đám mây (đám mây); - Sét vạch “đám mây - đám mây”. Trong các dạng sét vạch thì sét vạch “đám mây - đất” thường hay gặp nhất. Âm thanh vang vọng lớn sau sét được gọi là sấm.

Điện từ của sét làm nóng các khí trong không khí. Khi các khí mở rộng mạnh mẽ, chúng tạo ra một âm thanh lớn. Để đánh giá độ bền của các công trình, thiết bị viễn thông đối với dòng sét quan trọng nhất là các tham số sau đây: Trị số điện tích mang; Dòng điện trong kênh sét; Số sét lặp trên một kênh sét; Cường độ hoạt động của dông sét.3: Tia sét sau khi hình thành Dòng sét: Dòng chảy trong kênh sét là đặc trưng định lượng cơ bản của sét. Dòng trong kênh sét là dòng xung, tăng nhanh từ 0 đến cực đại (sườn trước của sóng xung) và giảm tương đối chậm (sườn sau của sóng xung).

Một dòng sét bao gồm các thành phần dòng xung, dòng vầng quang và dòng một chiều. Hình sau mô tả dòng điện trong kênh sét: 3 Hình 1.4: Dòng điện trong kênh sét Xung dòng sét được xác định thông qua đặc tính “biên độ - thời gian” với các thông số sau: - Biên độ dòng sét IS; - Thời gian (độ dài) sườn trước của xung T1. - Thời gian (độ dài) cho đến lúc sườn sau đạt một nửa giá trị biên độ dòng sét T2. Xung dòng sét (sóng sét) được đặc trưng bằng tỷ số độ dài sườn trước của xung T1 và độ dài cho đến lúc sườn sau đạt một nửa giá trị biên độ dòng sét T 2, có nghĩa là (T1/T2).

Ngoài đặc tính "biên độ - thời gian" của xung dòng sét được nêu ra ở trên, trong thực tế còn dùng cả tham số độ dốc trung bình sườn trước của xung I'S = dis(t)/dt. Dòng trong kênh sét thay đổi trong một phạm vi rộng từ vài KA đến trăm KA. Sét có dòng lớn xuất hiện rất hãn hữu. Sét có dòng 200 kA xuất hiện chiếm (0,7 - 1,0)% trong tổng số các trường hợp sét quan sát được.

Số trường hợp sét đánh có dòng 20 kA chiếm khoảng 50%. Vì thế người ta xác định biên độ dòng sét dưới dạng đường cong xác suất (như Hình 5a), trong đó trục tung là xác suất xuất hiện dòng sét có giá trị cực đại chỉ ra trên trục hoành. Đường cong xác suất gần đúng với quy luật phân bố xác suất hàm mũ sau đây có thể được sử dụng khi tính toán chống sét: (1.1) 4 Trong đó: IS: là giá trị cực đại của dòng sét, kA; p: là xác suất dòng sét cực đại lớn hơn dòng sét IStt; IStt: là biên độ dòng sét tính toán, kA. Theo ITU, sự phân bố xác suất dòng sét khi tính toán chống sét cho các đường dây thông tin (cả cáp ngầm và treo nổi) được biểu diễn bằng công thức như sau: 0, 𝐾ℎ𝑖 Is < 0 |𝑝(Is)| = { −2.2) 10 , 𝐾ℎ𝑖 Is ≥ 0 Trong đó : a = 4,617 và b=0,0117 với Is < 20kA a = 5,075 và b=0,0346 với Is < 20kA p(Is) là xác suất xuất hiện dòng sét có biên độ Is, (Is tính bằng kA).

Khi sét đánh xuống đất thì biên độ của dòng sét có khuynh hướng giảm khi điện trở suất của đất tăng. Trong giải điện trở suất của đất  = (200  1100) m, biên độ dòng sét thay đổi gần với quy luật hàm hypecbol bình phương và khi điện trở suất của đất  lớn biên độ dòng sét tiến tới một giá trị không đổi và được tính bằng công thức: IS=16+2.3) Cũng như biên độ dòng sét, độ dốc sườn trước của dòng sét biến đổi trong một phạm vi rộng. Đường cong xác suất độ dốc của dòng sét xuất hiện gần giống với quy luật hàm mũ (như Hình 6b). Công thức kinh nghiệm phổ biến nhất về sự phân bố xác suất độ dốc dòng sét có dạng: (1.4) Trong đó: I'S là độ dốc sườn trước của dòng sét, kA/µs; I'Stt là độ dốc tính toán sườn trước của dòng sét, kA/µs.

Sự phân bố xác suất sét có IS ≥ IStt và I'S ≥ I'Stt được xác định bằng biểu thức sau: P(IS≥IStt; I’S≥I’Stt)≈e-(0,04Istt + 0,08Istt) (1.5) 5 Thời gian kéo dài sườn trước của xung dòng sét khi đánh xuống đất dao động trong phạm vi từ 0,5 µs đến 10 µs (xem Hình 5c). Thời gian kéo dài trung bình sườn trước của xung dòng sét thường lấy bằng T1 = 2 µs. Thời gian kéo dài của xung dòng sét (thời gian kéo dài của xung dòng sét cho đến khi sườn sau đạt 1/2 giá trị biên độ) về cơ bản được xác định bởi thời gian lan truyền của sét ngược từ đất đến đám mây, vì thế nó thay đổi từ 20 µs đến (80 - 100) µs, (như Hình 1. Thời gian kéo dài của xung dòng sét khoảng 50 µs.5: Đường cong phân bố xác suất Ghi chú: Hình 1.5: Đường cong phân bố xác suất: (a) biên độ dòng sét (1: cho vùng đồng bằng, 2: cho vùng núi); (b) độ dốc sườn trước của xung dòng sét; (c) thời gian kéo dài sườn trước của xung dòng sét; (d) thời gian kéo dài của xung dòng sét.

Số sét lặp trong một kênh sét, n Số sét lặp (n) trong một kênh sét dao động trong phạm vi: - n = (2÷ 5) chiếm khoảng (25÷70)% các trường hợp; - n = 10 chiếm khoảng 5% các trường hợp. Số sét lặp trung bình trên một kênh thường lấy là n = 3. Số sét lặp trên một kênh được đặc trưng bằng đường cong xác suất trình bày trên hình sau: 6 Hình 1.6: Đường cong xác suất phân bố số sét lặp trong một kênh sét Cường độ hoạt động của dông sét, D Cường độ hoạt động của dông (D) được xác định bằng số ngày dông trong năm hoặc tổng số giờ dông trong năm. Cường độ hoạt động của dông trong các vùng khí hậu khác nhau thì rất khác nhau.

Cường độ hoạt động của dông được dùng để xác định mức độ tác động của dông đến các công trình, thiết bị viễn thông. Ở Việt nam số ngày dông trong năm ở các vùng phía Bắc là nhỏ và tăng dần lên ở các vùng phía Nam, ở đó độ ẩm không khí tăng lên còn nhiệt độ thì cao có khả năng mạnh hình thành các đám mây dông. Các đặc điểm cơ bản của dông sét nhằm để xem xét đánh giá ảnh hưởng của nó đến độ bền các công trình, thiết bị viễn thông được trình bày trong bảng sau: Bảng 1.1: Các đặc điểm cơ bản của dông sét Tham số Giá trị cơ sở - Các đặc điểm cơ bản: + Điện thế đám mây dông, V 108 + Bán kính tương đương của đám mây dông tích điện âm, 2,0 km + Độ cao của trung tâm tích điện âm trên mặt đất, km 4,0 + Tổng thời gian kéo dài của sét, s. Trong đám mây (Mây - Mây) 0,9 + Chiều dài kênh sét, km 4,5.

Trong đám mây (Mây - Mây) 7 + Số lượng sét 3. Trong đám mây (Mây - Mây) 200 + Trở kháng sóng tương đương của kênh sét,  - Gây ra hư hỏng cho các công trình của kỹ thuật hàng không vũ trụ và các vật dễ nổ trên mặt đất: + Biên độ dòng sét, kA. Sét thứ nhất 200. Sét tiếp sau 100 + Độ dốc của dòng sét, kA/s 140 + Độ dài của dòng xung sét, s.

Sét thứ nhất 75. Sét tiếp sau 30 + Điện tích của sét, C 200 + Xác suất xuất hiện đặc trưng, % 1,0 - Gây ra hư hỏng cho các công trình trên mặt đất: + Biên độ dòng sét, kA. Sét thứ nhất 20 .