báo cáo bảo vệ hệ thống thông tin viễn thông ở vùng có mật độ dông sét lớn và điện trở suất cao

Đề tài “ Bảo vệ hệ thống thông tin viễn thông ở vùng có mật độ dông sét lớn và điện trở suất cao” đã đặc biệt nghiên cứu về dông sét, sự ảnh hưởng của dông sét lên các công trì

LỜI NÓI ĐẦU

Sự hội tụ trong lĩnh vực viễn thông cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng và truyền dữ liệu của con người cũng tăng lên theo hàm số mũ Ngành viễn thông đã đóng góp vai trò lớn lao trong việc vẫn chuyển đưa tri thức của loài người đến mỗi người, thúc đẩy quá trình sáng tạo đưa thông tin khắp nơi về các ngành lĩnh vực khoa học, các thông tin giải trí cũng như thời sự khác

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành viễn thông không ngừng đổi mới cả về công nghệ lẫn chất lượng.Vì thế mà hàng loạt các công trình, hệ thống và các thiết bị đã được xây dựng phục vụ cho các dịch vụ viễn thông Tuy nhiên, vấn đề được đặt ra là phải làm sao để bảo vệ an toàn cho các công trình, thiết

bị đó dưới tác động của thiên nhiên – đặc biệt là sét

Sau một thời gian tìm hiểu nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo, Ths Lưu Đức Thuấn nhóm chúng em gồm Trần Văn Chung, Nguyễn Thị Hiền Phương, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Thành Long lớp kỹ thuật viễn thông A K50 đã hoàn

thành xong đề tài nghiên cứu khoa học của mình Đề tài “ Bảo vệ hệ thống thông tin viễn thông ở vùng có mật độ dông sét lớn và điện trở suất cao” đã đặc biệt

nghiên cứu về dông sét, sự ảnh hưởng của dông sét lên các công trình và thiết bị viễn thông, các phương pháp phòng chống tác hại của dông sét và các biện pháp nâng cao chất lượng hệ thống tiếp đất chống sét ở vùng có điện trở suất cao

Đề tài gồm có 3 chương:

• Chương 1: Nguyên nhân và quá trình hình thành sét

• Chương 2: Các phương pháp chống sét cho công trình viễn thông

• Chương 3: Tiếp đất và các phương pháp bảo vệ hệ thống thông tin viễn thông ở vùng có điện trở suất cao

Do thời gian ngắn,kiến thức còn hạn chế và tài liệu tham khảo không nhiều nên trong quá trình thực hiện đề tài vẫn còn tồn tại nhiều thiếu sót Rất mong được

sự đóng góp của thầy cô và các bạn để đề tài hoàn thiện hơn nữa

Hà Nội, ngày 25, tháng 3, năm 2012.

MỤC LỤC

Danh mục các kí hiệu và thuật ngữ viết tắt

LPL Lightning Protection Level Mức bảo vệ chống sétLPS Lightning Protection System Hệ thống bảo vệ chống

sétLPZ Lightning Protection Zone Vùng bảo vệ chống sétSPD Surge Protective Device Thiết bị bảo vệ xungBTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốcGAF Grounding Augmentation Fill Chất độn làm tăng khả

năng tiếp đất

Danh mục bảng biểu và hình vẽ

Hình 1.3 Hiện tượng đối lưu mùa hè gây mưa giông Trang 11Hình 1.4 Minh họa không gian hình thành sét Trang 12Hình 1.5 Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng

điện sét theo thời gian

Trang 15

Hình 2.1 Các con đường chính sét thâm nhập gây ảnh hưởng cho

các công trình viễn thông

Trang 18

Hình 2.2 Minh họa phân vùng chống sét LPZ tại trạm viễn thông Trang 21Hình 3.1 Các vùng xuất hiện dòng sét trong quá trình truyền lan Trang 30Hình 3.2 Tiếp đất dạng thanh chôn thẳng đứng trong đất Trang 36

Hình 3.4 Hệ thống tiếp đất trong đất có điện trở suất của đất cao Trang 40Hình 3.5 Hệ thống tiếp đất có cải tạo bằng muối ăn Trang 42Hình 3.6 Biểu đồ xác định lượng RES- LO câng thiết Trang 44Hình 3.7 Bán cầu giao diện và hố được sử lý bằng GAF Trang 46

Hình 3.9 Lắp đặt điện cực tiếp đất hóa học Trang 48

Bảng 2.1 Giá trị tham số dòng sét theo LPL Trang 20Bảng 3.1 Điện trở suất và điện dẫn suất của đất và nước Trang 28

Chương 1: Nguyên nhân và quá trình hình thành sét.

1 Khái quát chung về sét.

Sét (Thunder) là một hoặc nhiều chùm tia lửa điện dài có điện áp cực kỳ lớn từ các đám mây mùa hè phóng xuống đất Ánh sáng do các phân tử nước bị kích thích tạo ra các tia chớp (Lighting) với thời gian tồn tại chừng 1/4 giây và không khí bị giãn nở đột ngột ngây ra tiếng sấm

Hình 1.1 : Hình ảnh sấm sét.

Đặc điểm của sét :

- Điện thế của sự phóng điện từ sét có thể đạt từ vài chục đến hàng trăm triệu Vôn

- Chiều cao của rãnh sét khoảng 500 – 2000m

- Chiều dài của sét đo được trung bình 5km, có khi đến 10km

- Vận tốc phóng điện khoảng 15.000 - 150.000 km/s

- Đường kính của tia sét từ 40 - 50 cm, phần lõi của tia sét chừng 15cm

- Nhiệt độ trong tia sét có thể đạt đến 18.000 – 20.000 °C

Nhiều nơi trên thế giới còn ghi nhận hiện tượng sét hòn (Ball lighting), có hình dạng như một quả cầu lửa có đường kính chừng 10 – 30cm, di chuyển

chậm trên không trung hoặc là dưới mặt đất trước khi nổ tung Hiện tượng này rất kì quái, có nhiều điều chưa giải thích rõ và chưa được tạo ra trong phòng thí nghiệm vật lý Sét hòn di chuyển qua ống khói nhà, theo các đường dây kim loại hoặc vật dẫn điện mà đôi khi không đốt cháy vật dẫn hoặc đốt rất ít Sét hòn khá hiếm gặp ở Việt Nam.

2 Nguyên nhân hình thành sét.

Hình 1.2 : Hình minh họa tia sét.

Trong những năm qua, cứ mỗi khi mùa mưa đến, ngoài việc chuẩn bị các biện pháp phòng chống bão lụt chúng ta còn phải quan tâm đến một hiện tượng thiên nhiên khác có tác hại nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và con người - đó là dông sét Có thể hiểu nôm na rằng sét là sự phóng điện giữa đám mây dông và một điểm nào đó trên mặt đất khi điện trường khí quyển đạt đến một giá trị tới hạn Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nên dòng điện sét thường rất lớn khoảng 30kA,

do đó nếu một công trình nào đó bị sét đánh thì phần kiến trúc của công trình đó có thể bị phá vỡ do ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ phát tán cao, các thiết bị điện trong công trình có thể bị hỏng do trường điện từ của dòng sét cảm ứng và con người có thể bị tổn thương nếu ở gần điểm phóng điện sét Sét (hay còn gọi là sự phóng điện dông) là một nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất xảy ra trong tự nhiên

Nguyên nhân làm xuất hiện sét là do sự hình thành các điện tích khối lớn Nguồn sét chính là các đám mây mưa dông mang điện tích dương và âm ở các phần trên và dưới của đám mây, chúng tạo ra xung quanh đám mây này một điện trường có cường độ lớn.

Sự hình thành các điện tích khối với các cực tính khác nhau trong đám mây (hay còn gọi là sự phân cực của đám mây) có liên quan đến sự ngưng tụ do làm lạnh hơi nước của luồng không khí nóng đi lên, tạo ra các ion dương và âm (các trung tâm ngưng tụ) và liên quan đến cả sự phân chia các giọt nước mang điện trong đám mây dưới tác dụng mạnh của luồng không khí nóng đi lên Trên mặt đất bên dưới đám mây sẽ tập trung các điện tích trái dấu với ion tập trung bến dưới đám mây

Trong quá trình tích luỹ các điện tích có phân cực khác nhau, một điện trường có cường độ luôn được gia tăng hình thành xung quanh đám mây Khi Gradient điện thế ở một điểm bất kỳ của đám mây đạt giá trị tới hạn về tính chất cách điện của không khí (với áp lực khí quyển bình thường, khoảng 3.106 V/m) ở

đó xảy ra sự đánh xuyên hay sét tiên đạo

Cơ chế hình thành một cơn sét nói chung khá phức tạp, có nhiều công trình nghiên cứu về quá trình nhiễm điện của một đám mây dông cũng như cơ chế phát triển của tia sét hướng xuống đất, ngoài ra cũng còn nhiều vấn đề khác liên quan đến sét và chúng em mong rằng sẽ có dịp được trình bày chi tiết hơn trong các bài báo khác.Ở đây chúng em chỉ xin đề cập đến một giả thuyết phổ biến nhất để giải thích nguyên nhân tạo dông sét như sau:

Dông là hiện tượng khí quyển liên quan với sự phát triển mạnh mẽ của đối lưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển, nó thường 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 nước bay lên đến một độ cao nào đấy và nguội dần, lúc đó hơi nước tạo thành những giọt nước nhỏ hay gọi là tinh thể băng chúng tích tụ trong không gian dưới 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 mưa 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 lượng lớn nên nằm dưới đáy đám mây còn các phần tử điện tích dương nhẹ hơn nên bị đẩy lên phần trên của đám mây.

Như vậy trong bản thân đám mây đã hình thành một điện trường cục bộ của một lưỡng cực điện và dưới tác dụng của điện trường cục bộ này các phần tử sẽ di chuyển nhanh hơn, điện tích được tạo ra nhiều hơn và điện trường càng mạnh hơn Quá trình này tiếp diễn cho đến lúc điện trường 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 dưới đám mây thường có một lớp điện tích dương gọi là điện tích không gian vì vậy giữa phần đáy đám mây mang điện âm và lớp điện tích dương này lại hình thành một điện trường riêng và chính điện trường này làm phát sinh một tia sét ban đầu gọi là dòng tiên đạo di chuyển xuống đất với tốc độ khoảng 150km/s Trong quá trình phát triển xuống đất, dòng tiên đạo mang theo một điện thế rất lớn sẽ ion hóa lớp không khí trên đường đi của nó, nơi nào có cách điện không khí yếu thì dòng tiên đạo sẽ phát triển về hướng đó vì vậy ta thấy dòng tia sét đi xuống không phải là đường thẳng mà thường có dạng ngoằn ngoèo, phân nhánh Ngoài ra do hiệu ứng cảm ứng điện nên phần mặt đất nằm bên dưới đám mây dông sẽ mang một lượng điện dương Lượng điện này sẽ phân bố trên các vật có khả năng dẫn điện như 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 trường 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 trường 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 được 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 20.000 °C và do đó ta thấy nó sáng chói lên (cũng được gọi là chớp) Dưới 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 trước rồi sau đó một lúc mới nghe thấy tiếng sấm

Hiện tượng sét đánh được minh họa ở hình 1.3 dưới đây

Hình 1.3 : Hiện tượng đối lưu mùa hè gây mưa dông (trái).

Mây dông mang điện tích âm và mặt đất mang điện tích dương (giữa).

Hai khối điện tích gặp nhau tạo ra tia sét đánh (phải)

Hình 1.4 : Minh họa không gian hình thành sét.

3 Các giai đoạn hình thành và phát triển của sét.

a Giai đoạn phóng tia tiên đạo.

Ban đầu xuất phát từ mây giống một tia tiên đạo sáng mờ, phát triển thành từng đợt gián đoạn về phía mặt đất,tốc độ trung bình khoảng 105 – 106 m/s Kênh tiên đạo

là một dòng plasma mật độ điện khoảng 1013 – 1014 ion/m3,một phần điện tích âm của mây giông tràn vào kênh và phân bố tương 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 ngưng giữa 2 đợt khoảng 30 – 90 µs

Đường đi của tia tiên đạo trong khoảng thời gian này không phụ thuộc vào tình trạng mặt đất và các vật trên mặt đất, do đó nó gần như hướng thẳng về phía mặt đất Cho đến khi tia tiên đạo đạt đến độ cao định hướng thì mới bị ảnh hưởng bởi các vùng điện tích tập trung dưới mặt đất.

b Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa.

Dưới tác dụng của điện trường 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 dưới đám mây giông Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo, nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích tập trung chủ yếu ở vùng kế cận nơi có điện dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các tòa nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị nước trong mưa… Chính các vùng điện tích tập trung này sẽ định hướng phát triển của tia tiên đạo hướng xuống khi nó đạt đến độ cao định hướng, tia tiên đạo sẽ phát triển theo hướng có điện trường lớn nhất Do đó các vùng tập trung điện tích sẽ là nơi sét đánh vào

Ở những vật dẫn có độ cao như các nhà cao tầng, cột anten các đài phát từ đỉnh của nó nơi các điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây giông Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên này tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ dàng cho sự đính hướng của sét vào vật dẫn đó

Người ta lợi dụng tính chất chọn của sét để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình bằng cách dùng các thanh kim loại hay dây thu sét bằng kim loại được nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hướng sét đánh vào đó mà không phóng vào công trình

Khi tia tiện đạo hướng xuống gần mặt đất hay tia tiên đạo hướng lên, thì trong khoảng cách khí ở giữa do cường độ điện trường tăng cao gây lên ion hóa mãnh liệt,

dẫn đến sự hình thành một dóng plasma có mật độ dòng điện tích cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần.

c Giai đoạn phóng điện ngược

Do điện dẫn của nó tăng cao như vậy nên điện tích cảm ứng tràn vào dòng ngược mang điện thế của đất làm cho cường độ trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ như vậy dòng plasma điện dẫn cao 1016 – 1019 ion/m3 tiếp tục phát triển ngược lên trên dòng dọn sẵn bởi kênh tiên đạo Đây là sự phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt cho nên tia phóng điện chủ yếu sang chói (đó chính là chớp)

Tốc độ phát triển của kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5.107 –1,5.108 m/s tức là nhanh gấp trăm lần tốc độ phát triển của kênh tiện đạo Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích còn lại của đám mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đât và tạo nên dòng có trị số nhất định

Kết quả quan trắc cho thấy rằng: Phóng điện sét thường xảy ra nhiều lần kế tiếp nhau,trung bình là 3 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 quỹ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn (2.106 m/s) Điều này giải thích: đám mây giông 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 điện thế giữa các trung tâm này với các trung tâm khác không thay đổi và ít có các ảnh hưởng qua lại Nhưng khi kênh phóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điện thế của đất, điều này làm cho hiệu điện thế giữa các trung tâm điện tích đã phóng đến trung tâm điện thế lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa chugns với nhau Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một số điện dẫn nhất định do sử khử ion chưa hoàn toàn, nên

phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quỹ đạo đó, liên tục và với tốc độ lớn hớn ban đầu.

Hình 1.5 : Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo

thời gian.

a- Giai đoạn phóng điện tiên đạo

b- 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

Chương 2:Các phương pháp chống sét cho công trình viễn thông

1 Các con đường sét thâm nhập vào công trình và thiết bị viễn thông

Các công trình thông tin bị hư hỏng do sét gây ra chủ yếu vào các thời gian dông sét trong năm, từ tháng ba đến tháng chín, đôi khi kéo dài sang cả tháng mười Các con đường chính sét xâm nhập có thể gây ảnh hưởng đến công trình và thiết bị viễn thông bao gồm:

- Sét thâm nhập qua thiết bị anten – phi đơ

- Sét thâm nhập qua đường dây thông tin treo nổi (dây trần và cáp treo)

- Sét thâm nhập qua cáp thông tin ngầm

- Sét thâm nhập qua cáp, dây nối giữa các thiết bị viễn thông

- Sét thâm nhập qua các mạch cung cấp điện cho thiết bị viễn thông

- Sét thâm nhập qua hệ thống tiếp đất và các điểm đấu chung

- Sét thâm nhập qua vỏ che chắn của các thiết bị viễn thông

Hình 2.1: Các con đường chính sét thâm nhập gây ảnh hưởng cho các công trình

viễn thông.

2 Tác hại do sét

Thông thường phóng điện sét gồm hàng loạt phóng điện kế tiếp nhaudo sự dịch chuyển điện tích từ các phần khác nhau của đám mây Sự phóng điện chủ yếu đặc trưng bởi dòng điện sét lớn đi qua chỗ sét đánh( có thể đạt tới 200 và sự lóe sáng mãnh liệt của dòng điện.Không khí trong vùng có dòng phóng điện có thể đạt tới 1000 0C và dãn nở rất nhanh, do đó sét có thể gây ra những đám cháy lớn

và có sức công phá rất mạnh về mặt cơ học

Khi sét đánh trực tiếp thì năng lượng của dòng sét lớn nên sức phá hoại của nó cũng rất lớn.Khi một công trình viễn thông bị sét đánh trực tiếp sẽ ảnh hưởng đến

độ bền cơ khí, cơ học, gây cháy nổ Biên độ dòng sét ảnh hưởng đến vấn đề quá áp

và quá xung, ảnh hưởng đến độ bền cơ khí của các thiết bị trong công trình.Thời gian tồn tại của xung sét ảnh hưởng tới quá điện áp xung trên các thiết bị và độ bền

cơ học của thiết bị.Đây là loại sét nguy hiểm nhất vì nó có thể gây thiệt hại nặng nề cho công trình hoặc gây chết người

Khi sét đánh gián tiếp thì sét đánh vào đường dây điện thoại, đường dây tải điện cao thế hoặc hạ thế ở một nơi nào đó rồitheo đường dây truyền vào công trình làm

hư hỏng thiết bị điện đang sử dụng

Khi xảy ra sự phóng điện thì sét gây nên một sóng điện từ tỏa ra xung quanh với tốc độ rất lớn, trong không khí tốc độ của nó tương đương với tốc độ ánh sáng Sóng điện từ truyền vào các đường dây thông tin gây quá điện áp tác dụng lên các thiết bị trong công trình, làm hư hỏng đặc biệt đối với các thiết bị nhạy cảm như máy tính, mạng máy tính, thiết bị điện tử… gây tác hại rất lớn

3 Tiêu chí chống sét

a Mức bảo vệ chống sét (LPL)

Quy chuẩn này quy định 4 mức bảo vệ chống sét.Với mỗi mức LPL, một tập hợp các tham số dòng sét được ấn định.Giá trị lớn nhất của tham số dòng sét tương ứng với mức LPL I sẽ không bị vượt quá với xác suất là 99%.Giá trị lớn nhất của tham số sét tương ứng với LPL I sẽ giảm xuống tới 75% đối với LPL II và 50% đối với các mức III và IV

Dòng đỉnh nhỏ nhất, kA 3 5 10 16

Bảng 2.1- Giá trị tham số dòng sét theo LPL

Các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của các tham số dòng sét đối với các mức bảo vệ chống sét khác nhau được cho trong bảng 2.1 và được sử dụng để thiết kế các thành phần của hệ thống bảo vệ chống sét(ví dụ, thiết diện dây dẫn, độ dày của

vỏ kim loại, khả năng chịu dòng của thiết bị bảo vệ xung SPD, khoảng cách cách ly

để tránh đánh lửa gây nguy hiểm)

b Vùng bảo vệ chống sét

Các biện pháp bảo vệ như LPS, các dây che chắn, che chắn điện từ và SPD

sẽ quyết định các vùng bảo vệchống sét.Việc phân biệt các vùng bảo vệ chống sét được đặc trưng bởi sự chênh lệch đáng kể của xung điện từ do sét tại các vùng bảo

vệ Tuỳ theo mức độ ảnh hưởng của sét, các vùng bảo vệ chống sét sau đây được định nghĩa:

- LPZ 0A Là vùng có nguy cơ chịu sét đánh trực tiếp và toàn bộ trường điện từ do sét

- Các hệ thống trong đó có thể chịu toàn bộ hoặc một phần dòng xung sét

- LPZ 0 Là vùng đã được bảo vệ khỏi sét đánh trực tiếp nhưng vẫn chịu sự đe doạ của toàn bộ trường điện từ do sét Các hệ thống trong

đó có thể chịu một phần dòng xung sét

- LPZ 1 Là vùng trong đó dòng xung được hạn chế do sự chia dòng và các SPD tại vị trí ranh giới Việc che chắn không gian có thể làm suy giảm trường điện từ do sét

- LPZ 2,…, n Là vùng trong đó dòng xung được hạn chế hơn nữa

do sự chia dòng và các SPD bổ sung tại vị trí ranh giới Việc che chắn không gian bổ sung có thể làm suy giảm hơn nữa trường điện từ do sét

Nói chung, mức của một LPZ càng cao thì các tham số môi trường điện từ càng thấp Nguyên tắc chung của việc bảo vệ là, đối tượng cần bảo vệ phải nằm trong vùng LPZ có các đặc tính về điện từ tương thích với khả năng của chịu đựng

của đối tượng với tác động do sét gây ra thiệt hại cần phải giảm bớt(thiệt hại vật lý,

hư hỏng các hệ thống điện và điện tử do quá áp)

Hình 2.2: Minh họa phân vùng chống sét LPZ tại trạm viễn thông

4 Cấu tạo chung của một hệ thống chống sét

Cấu hình chung của một hệ thống chống sét gồm có 3 phần: đầu kim thu sét, dây dẫn thoát sét và hệ thống tiếp đất

a Các đầu kim thu sét

Thường làm bằng thép mạ đồng, đồng thau đúc hoặc bằng inox Lựa chọn chiều dài của kim còn phụ thuộc vào cấu trúc của công trình cần được bảo vệ

Các điện cực thu sét phải được bố trí, lắp đặt ở các vị trí sao cho nó tạo ra vùng bảo vệ che phủ hoàn toàn đối tượng cần bảo vệ Các điện cực thu sét Frnaklin có thể

sử dụng các dạng thanh, dây, mắt lưới và kết hợp

Các điện cực thu sét phát hiện tiên đạo sớm có thể sử dụng các loại: tạo, phát ion hoặc loại tạo phát điện tử Các điện cực thu sét có thể có kết cấu đỡ là bản thân đối tượng cần bảo vệ Nếu dùng kết cấu đỡ bằng cột, phải làm bằng vật liệu đảm bảo độ bền cơ học, phù hợp với điều kiện khí hậu

b Dây dẫn sét

Dùng để dẫn dòng sét từ các đầu kim thu đến hệ thống tiếp đất Thường làm bằng đồng lá hoặc cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chẩn quốc tế từ 50 đến 75

Các dây dẫn sét phải được phân bố xung quanh chu vi của công trình cần bảo vệ sao cho, khoảng cách giữa hai dây không vượt quá 30m Trong mọi trường hợp, cần

ít nhất hai dây dẫn xuống

Các dây dẫn sét phải được lắp đặt thẳngđứng sao cho chúng tạo ra đường dẫn ngắn nhất, thẳng nhất xuống đất và tránh tạo ra các mạch vòng Không lắp đặt các dây dẫn sét ở các vị trí gây nguy hiểm cho con người

c Hệ thống tiếp đất

Dùng để tản dòng điện sét trong đất Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm:

- Các cọc tiếp đất : thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét Đường kính ngoài thường là 14 – 16mm Được chôn thẳng đứng & cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét

- Dây tiếp đất : thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét

- Ốc siết cáp hoặc mối hàn hóa nhiệt CADWELD : dùng để liên kết dây tiếp đất & các cọc tiếp đất với nhau

Phải chú ý lựa chọn dạng điện cực tiếp đất, cấu trúc bố trí các điện cực sao cho phù hợp với điều kiện địa hình thực tế nới trang bị tiếp đất Khi tính toán thiết kế hệ thống tiếp đất chống sét, phải chú ý đến đặc tính xung của điện trở tiếp đất và phải bảo đảm giá trị điện trở tiếp đất đới với dòng xung theo yêu cầu trong mọi trường hợp

Vật liệu và kích thước vật liệu được lựa chọn là hệ thống chống sét đánh trực tiếp phải đảm bảo sao cho hệ thống này không hư hỏng do ảnh hưởng điện, điện từ của dòng sét, ảnh hưởng của hiện tượng ăn mòn và các lực cơ học khác.

Các điện cực thu sét, dây dẫn sét phải được cố định và liên kết với nhau một cách chắc chắn, đảm bảo không bị gãy, đứt hoặc lỏng lẻo do các lực điện động hoặc các lực cơ học khác Các mối nối phải được đảm bảo bằng các phương pháp hàn,vặn vít,lắp ghép bằng bulông và có số lượng càng nhỏ càng tốt

5 Các phương pháp phòng chống sét

a Phương pháp dùng lồng Faraday

Là lồng kim loại bao kín khu vực bảo vệ Theo lý thuyết sóng điện từ thì đây

là phương pháp lí tưởng để phòng chống sét Phương pháp này được sử dụng để bảo

vệ một số khu vực như : nơi chứa thuốc nổ,hạt nhân Tuy nhiên phương pháp này tốn kém và không khả thi trên thực tế áp dụng cho tất cả các công trình.Có một số phương pháp dạng này cần quan tâm khi tạo lồng Faraday không lí tưởng nhưng khá tốt trong phòng chống sét

b Phương pháp dùng kim thu sét cổ điển Franklin

Có nhiều biện pháp kỹ thuật phòng chống sét nhưng cho tới nay thì chưa có một thiết bị hoặc hệ thống chống sét nào đạt được hiệu quả tuyệt đối Một mô hình chống sét thông dụng đã được công nhận là có hiệu quả trong một phạm vi giới hạn nhất định vẫn còn được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới đó là hệ thống dùng kim thu sét cổ điển Franklin vì nó đã chứng minh khả năng bảo vệ với một độ tin cậy cho phép đã tồn tại hàng trăm năm qua

Kim thu sét Franklin là một thanh kim loại có đầu nhọn dài khoảng 3m được lắp tại nơi cao nhất trong trạm BTS hoặc anten cần bảo vệ, nó hoạt động theo nguyên lý phóng điện điểm, nghĩa là trong điện trường khí quyển của dông bão, kim thu sét này sẽ liên tục nhả điện tích vào vùng không gian do đó quanh đầu kim thu sét sẽ có điện trường cục bộ mạnh so với các điểm xung quanh và hình thành một tia lửa điện mồi (dòng mồi) nên nó dễ dàng thu hút dòng sét tiên đạo từ mây đi xuống, dòng điện sét này sẽ truyền từ kim qua hệ thống dây dẫn để đi xuống đất và

tản nhanh trong đất nhờ bãi tiếp địa tản sét Như vậy hệ thống chống sét sẽ tạo ra một phạm vi an toàn cho công trình mà nó bảo vệ Ngoài kim thu sét còn có phần dẫn sét và bãi tiếp địa tản dòng sét trong đất Dây dẫn sét có tác dụng chuyển tải dòng sét xuống đất dễ dàng, nó phải chịu được nhiệt độ phát nóng cục bộ để không

bị biến dạng Bãi tiếp địa có nhiệm vụ tản nhanh dòng sét trong đất để tránh điện áp cao tồn tại trên hệ thống chống sét tức là phòng tránh hiện tượng phóng điện thứ cấp và ảnh hưởng của điện áp bước, đó là các yếu tố nguy hiểm có thể làm hư hỏng công trình và gây chết người

c Chống sét đánh thẳng bằng công nghệ phát tia tiên đạo sớm

Đó là phương pháp sử dụng kim thu sét có đặc tính phát ra dòng mồi khá sớm khi điện trường khí quyển chưa đạt đến trị số tới hạn nghĩa là nó chủ động đón bắt dòng phóng điện sét ở một điểm nào đó trong không gian cách xa công trình mà

nó bảo vệ Chúng ta có thể hình dung là khi hoạt động thì kim thu sét như được kéo dài ra một đoạn gấp hàng chục lần chiều dài thực của chúng, đoạn này được gọi là

độ cao ảo của kim thu sét và như thế chúng có phạm vi bảo vệ lớn hơn rất nhiều so với kim thu sét cổ điển ở cùng một độ cao

Cấu hình của loại này gồm có 3 phần :

- Đầu thu lôi: Dùng để phát tia tiên đạo đi lên thu hút sét về nó Đầu thu lôi

được gắn trên trụ đỡ có độ cao trung bình là 5 mét so với đỉnh của công trình cần được bảo vệ

- Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dòng sét từ đầu thu lôi đến hệ thống tiếp đất Thường làm bằng đồng lá hoặc cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn từ 50

+ Dây tiếp đất: thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét.

d Phương pháp phân tán năng lượng sét

Hệ thống phân tán năng lượng sét nhằm ngăn ngừa sự hình thành tia sét,hệ thống này thực hiện bằng cách liên tục giảm chênh lệch hiệu điện thế giữa mặt đất

và đám mây dông tích điện xuống dưới mức khả năng xuất hiện tia tiên đạo sét (không có tiên đạo từ mặt đất đi lên) do đó không xảy ra sét Hệ thống này họa động theo nguyên lý phóng điện điểm dựa trên hiện tượng corona, với hàng nghìn điểm nhọn bằng kim loại tạo ra ion bên trên hệ thống và ngăn ngừa sự hình thành tiên đạo sét

Hệ thống liên tục dẫn điện tích cảm ứng trren bề mặt đất lên các đầu kim loại nhọn để tạo ion vào khoảng không bên trên và tạo ra một không gian điện tích che chắn giữa đám mây dông và công trình cần bảo vệ Nhờ có không gian điện tích bên trên mà cường độ điện trường cục bô bên dưới được giảm xuống dẫn đến ngăn ngừa hiện tượng tiên đạo do đó không gây ra sét đánh vào công trình trong phạm vi bảo

vệ của hệ thống phân tán năng lượng

e Hút sét bằng tia laser

Ngày nay chúng ta cần chống sét cho các công trình hiện đại đòi hỏi phương pháp phòng chống có hiệu quả cao,ví dụ như kho chất nổ đạn dược, hạt nhân, các trung tâm máy tính quan trọng (điều khiển bay, trung tâm điều hành mạng…)

Nhằm tìm kiếm giải pháp chống sét 100%, các công ty hàng năm đầu tư hàng triệu đôla cho công việc nghiên cứu hút sét bằng tia laser Các nhóm nghiên cứu mạnh về vẫn đề này là giáo sư Bazelyan (Nga), giáo sư Zen Kawazaki ( Nhật)

Đã có những kết quả bước đầu Tại Nhật, năm 1997 sau rất nhiều lần thử nghiệm người ta đã 2 lần thu được tia sét bằng cách này Theo ý kiến chuyên gia, về kỹ thuật có thể thực hiện được.Khó khăn ở chỗ đồng bộ hóa và chi phí cho một cú

chống sét bằng phương pháp này có thể nói đắt hơn vàng.Hướng nghiên cứu này đang được tiếp tục.

Chương III: Tiếp đất và các phương pháp bảo vệ hệ thống

thông tin viễn thông ở vùng có điện trở suất cao

1.Khái quát chung về dòng sét trong đất

a Điện trở suất của đất

Điện trở suất của đất ở gần lớp bề mặt thay đổi trong một phạm vi rộng từ 0,2Ωm đến Ωm,thường là các loại đất đặc trưng như đất sét pha và đất oxit

nhôm có giá trị điện trở suất từ 10Ωm đến Ωm.Điện trở suất của đất phụ thuộc vào thành phần cấu tạo,độ ẩm,lượng muối và nhiệt độ của đất.Các giá trị điện trở suất và điện dẫn suất của một số loại đất và nước được trình bày trong bảng 3.1

Đặc điểm của vùng Điện trở suất , (Ωm)

Bảng 3.1: Điện trở suất và điện dẫn suất của đất và nước

Kết quả nghiên cứu dã chứng minh rằng điện trở suất của đất đá ở một nhiệt

độ nào đó sẽ giảm khi độ ẩm và nhiệt đô tăng.Độ ẩm của đất thay đổi theo thời gian trong năm và sự thay đổi càng lớn chủ yếu đối với các lớp đất càng gần với bề mặt trái đất

b Các tham số điện cơ bản của đất

Các tham số điện đặc trưng cho tính chất dẫn điện và xác định sự truyên flan của dòng sét trong các lớp đất bao gồm:

- Điện trở bề mặt,

- Hệ số truyền lan sóng điện từ ,

- Độ thấm sâu của dòng điện trong đất,

c Sự lan truyền của dòng sét trong đất