THUYẾT MINH ĐỀ TÀI XÂY DỰNG TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT CHO CÁC TRẠM GỐC VÔ TUYẾN

Do các trạm gốc vô tuyến có những đặc thù riêng ví dụ như: quy mô, vị trí lắp đặt, điều kiện thực hiện các biện pháp chống sét và tiếp đất, tần xuất sét đánh tập chung chủ yếu là vào cột

BỘ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

VIỆN KHOA HỌC KỸ THUẬT BƯU ĐIỆN

THUYẾT MINH ĐỀ TÀI

XÂY DỰNG TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT CHO CÁC TRẠM GỐC VÔ TUYẾN

Chủ trì : KS Nguyễn Đức Hoàn Cộng tác viên: TS Nguyễn Văn Dũng

Ths Ngô Quang Thuận

Hà Nội-2006

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

1.1 Tình hình trong nước 5

1.2 Tình hình ngoài nước 6

III KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG CHỐNG SÉT CHO CÁC TRẠM GỐC VÔ TUYẾN Ở VIỆT NAM 7

3.1 Hiện trạng thực hiện bảo vệ chống sét đánh trực tiếp 8

3.2 Hiện trạng thực hiện bảo vệ cáp dẫn từ cột anten xuống nhà trạm 8

3.3 Hiện trạng thực hiện bảo vệ bên trong nhà trạm 9

3.4 Hiện trạng thực hiện chống sét ở các điểm đi vào của các đường dây dịch vụ 11

3.5 Phân tích và đánh giá 11

6.1 Nội dung hướng dẫn 16

6.2 Các tài liệu tham khảo 17

VII KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 19

MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, sét là một nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất xảy ra trong tự nhiên đã gây ra rất nhiều thiệt hại về người và tài sản nói chung và các công trình viễn thông nói riêng Để ngăn ngừa và giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra Bộ Bưu chính Viễn thông (trước đây là Tổng cục Bưu điện) đã xây dựng, cập nhật, bổ sung và ban hành nhiều tiêu chuẩn, quy phạm phòng chống sét như: TCN 68-135: 2001 “Chống sét bảo

vệ các công trình viễn thông – Yêu cầu kỹ thuật”, QPN 68-174: 2006 “ Quy phạm chống sét và tiếp đất cho các công trình viễn thông”,v.v

Trên thực tế, một hệ thống chống sét hiệu quả phải căn cứ vào đặc điểm giông sét tại khu vực, trang bị và lắp đặt đầy đủ các thiết bị chống sét và có cấu hình đấu nối, tiếp đất thoả mãn các yêu cầu trong tiêu chuẩn, quy phạm ngành Tuy nhiên, hiện tượng sét đánh vào các công trình viễn thông gây hư hỏng thiết bị vẫn thường xuyên xảy ra vì các doanh nghiệp chưa thực hiện đúng và đầy đủ các biện pháp phòng chống sét

Hiện nay, với tốc độ phát triển nhanh chóng của các dịch vụ viễn thông, đặc biệt

là dịch vụ thông tin di động Các doanh nghiệp hoạt động ở lĩnh vực này hiện tại và trong tương lai sẽ lắp đặt rất nhiều các trạm gốc vô tuyến trong mạng thông tin di động của họ Việc triển khai lắp đặt rộng khắp các trạm gốc di động trên nóc các hộ dân cư, các chung cư cao tầng, v.v dẫn đến nhiều nguy cơ sét đánh trực tiếp vào các các trạm gốc do đặc điểm độ cao của chúng Do các trạm gốc vô tuyến có những đặc thù riêng (ví dụ như: quy mô, vị trí lắp đặt, điều kiện thực hiện các biện pháp chống sét và tiếp đất, tần xuất sét đánh tập chung chủ yếu là vào cột anten…) so với các công trình viễn thông dạng tập trung nên cần phải có các biện pháp và thủ tục chống sét hiệu quả hơn cho các trạm gốc vô tuyến

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, nhóm thực hiện đã đăng ký đề tài "Xây dựng tiêu chuẩn chống sét cho các trạm gốc vô tuyến" Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu thấy rằng:

 Có thể vận dụng TCN68-135:2001 “Chống sét cho các công trình viễn thông”

và TCN68-174:2006 “Quy phạm chống sét và tiếp đất cho các công trình viễn thông” cùng với một số hướng dẫn chi tiết chuyên biệt cho trạm gốc vô tuyến

là đủ để đảm bảo chống sét hiệu quả cho trạm gốc vô tuyến

 Khuyến nghị ITU-T Recommendation K.56 (2003) “Protection of radio base stations against lightning discharges - Chống sét cho các trạm gốc vô tuyến”

khó có thể xây dựng thành tiêu chuẩn vì không đưa ra tiêu chí để đánh giá định

lượng mà đưa ra các biện pháp và thủ tục phòng chống sét cho các trạm gốc vô tuyến

 Nếu kết hợp các tiêu chuẩn ngành đã có như 135:2001, TCN68-174:2006…với khuyến nghị K.56:2003 của ITU-T để biên soạn sẽ xây dựng được một tài liệu hướng dẫn đầy đủ trong việc bảo vệ chống sét cho các trạm gốc vô tuyến

Do vậy, để đề tài có hiệu quả, phục vụ hoạt động của các doanh nghiệp, nhóm thực hiện đề tài đã đề xuất đổi tên đề tài thành “Hướng dẫn chống sét cho các trạm gốc vô tuyến” nhằm hướng dẫn thực hiện các biện pháp và thủ tục phòng chống sét cho các trạm gốc vô tuyến để đạt được các yêu cầu về kỹ thuật Thủ tục bảo vệ đưa ra bao gồm tiếp đất, liên kết, che chắn và lắp đặt thiết bị chống sét bảo vệ trạm gốc vô tuyến

I ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tình hình trong nước

Tình hình thực tế

Hiện nay ở Việt Nam có 6 nhà khai thác di động gồm: Công ty dịch vụ viễn thông Vinaphone (GPC), Công ty thông tin di động MobiFone (VMS), Công ty Viễn thông Quân đội (Vietel), Công ty Thông tin Viễn thông Điện lực, Công ty SaigonPostel và Công ty HanoiTelecom Phạm vi phủ sóng của các nhà khai thác dịch vụ là 64/64 tỉnh thành nên số lượng các trạm gốc vô tuyến là rất lớn, đặc biệt là ở khu vực đô thị

Đặc trưng của các trạm gốc vô tuyến:

- Quy mô thường nhỏ;

- Vị trí lắp đặt thường tại các nhà dân, nhà chung cư;

- Thường cao hơn các công trình xung quanh nên dễ bị sét đánh;

- Tần xuất sét đánh tập chung chủ yếu là vào cột anten

Việc sử dụng phổ biến các trạm gốc vô tuyến (RBS) đối với điện thoại di động gây ra rủi ro bị sét đánh là rất lớn

Các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành

Cho đến nay Bộ bưu chính viến thông đã ban hành nhiều tiêu chuẩn, quy phạm liên quan đến vấn đề chống sét, bao gồm:

1 Tiêu chuẩn ngành TCN 68 - 135: 2001 “Chống sét bảo vệ các công trình viễn thông - Yêu cầu kỹ thuật”

2 Tiêu chuẩn ngành TCN 68-174:2006 “Quy phạm chống sét và tiếp đất cho các công trình viễn thông”

3 Tiêu chuẩn ngành TCN 68 - 141: 1999 “Tiếp đất cho các công trình viễn thông”

4 Tiêu chuẩn ngành TCN 68 - 140: 1995 “Chống quá áp, quá dòng để bảo vệ đường dây và thiết bị thông tin - Yêu cầu kỹ thuật”

5 Tiêu chuẩn ngành TCN 68 -167: 1997 “Thiết bị chống quá áp, quá dòng do ảnh hưởng của sét và đường dây tải điện”

Tuy nhiên các tiêu chuẩn này quy định chung cho các công trình viễn thông, chưa chuyên biệt cho các trạm gốc vô tuyến, chưa hướng dẫn rõ ràng và chi tiết về tiếp đất,

chống sét cho các trạm gốc vô tuyến nên việc thực hiện chống sét cho các trạm gốc vô tuyến còn gặp nhiều khó khăn, các biện pháp thực hiện chưa đạt hiệu quả cao

1.2 Tình hình ngoài nước

Gần đây hiệp hội viễn thông quốc tế ITU-T có đưa ra khuyến nghị K56 (2003)

“Protection of radio base stations against lightning discharges” Khuyến nghị này áp dụng riêng cho các trạm gốc vô tuyến nhằm hạn chế các thiệt hại do sét gây ra, đảm bảo an toàn cho các thiết bị

Mục đích chính của khuyến nghị là đưa ra các thủ tục phòng chống sét; cung cấp cách thức chống sét cho các thiết bị đầu cuối RBS và dây cáp, dựa trên phân tích tần suất xuất hiện của sét ở vị trí cần bảo vệ Thủ tục bảo vệ bao gồm tiếp đất, liên kết, che chắn, lắp đặt thiết bị chống sét và được chia thành 4 bước:

- Bảo vệ chống lại điện áp xuất hiện trong cáp đồng trục đi từ cột cao anten xuống;

- Bảo vệ chống lại điện áp và dòng điện cảm ứng bên trong nhà trạm của RBS do dòng sét chạy qua cột cao và các thành phần dẫn điện phụ trợ khác (cáp đồng trục, các kết cấu đỡ, v.v…);

- Bảo vệ chống lại điện áp và dòng điện cảm ứng trên đường dây cấp nguồn dẫn vào nhà trạm do hiện tượng tăng thế đất của RBS;

- Bảo vệ chống lại điện áp và dòng điện cảm ứng trên đường dây viễn thông dẫn vào nhà trạm (nếu có) do hiện tượng tăng thế đất của RBS

TRẠM GỐC VÔ TUYẾN

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, điều kiện trong và ngoài nước, có thể vận dụng các tài liệu hiện Bộ bưu chính viễn thông đã ban hành, đồng thời tham khảo các tài liệu khác (khuyến nghị K56 của ITU-T, …) để xây dựng “Hướng dẫn chống sét cho trạm gốc vô tuyến” nhằm thoả mãn các mục tiêu đặt ra

Phạm vi và mục tiêu của hướng dẫn:

1) Hướng dẫn này áp dụng đối với các trạm gốc vô tuyến được tạo bởi một nhà trạm dùng để đặt thiết bị và một cột an ten thu phát sóng vô tuyến ở gần

2) Mục tiêu của hướng dẫn là giúp cho các doanh nghiệp, các đơn vị tư vấn và thiết kế trong việc thực hiện các biện pháp và thủ tục phòng chống sét đảm bảo an toàn cho các trạm gốc vô tuyến

Tài liệu làm sở cứ:

Hướng dẫn chống sét cho các trạm gốc vô tuyến được xây dựng dựa trên các tài liệu chính sau:

[1] ITU-T K.56 “Protection of radio base stations against lightning discharges”;

[2] TCN 68-135: 2001 “Chống sét bảo vệ các công trình viễn thông - Yêu cầu kỹ thuật”;

[3] TCN 68-174: 2006 “Quy phạm chống sét và tiếp đất cho các công trình viễn thông”;

[4] TCN 68 - 141: 1999 “Tiếp đất cho các công trình viễn thông”

III KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG CHỐNG SÉT CHO CÁC TRẠM GỐC VÔ TUYẾN Ở VIỆT NAM

Qua tiến hành khảo sát thực tế chống sét tại một số trạm gốc vô tuyến của các nhà khai thác di động gồm Công ty dịch vụ viễn thông Vinaphone (GPC), Công ty thông tin di động Mobilephone (VMS), Công ty Viễn thông Quân đội và Công ty thông tin viễn thông điện lực tại một số địa phương như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Quảng Nam, Đà Nẵng…, nhóm chủ trì đề tài có một số nhận xét và đánh giá như sau: Trạm vô tuyến gốc (RBS) thường có cấu trúc bao gồm một nhà trạm dùng để đặt thiết bị và một cột cao anten dựng ở gần hoặc đặt trên nóc nhà trạm Tuy nhiên, do đặc điểm phủ sóng rộng khắp nên các doanh nghiệp thường thuê địa điểm để lắp đặt RBS (thường là các khu nhà cao tầng hoặc nhà dân, ở đó thiết bị thu phát sóng được đặt ở tầng trên cùng và cột an ten được dựng trên nóc nhà) xem hình 1 Do giữa cột cao anten và nhà trạm có liên kết kim loại, nên sét đánh xuống cột cao anten có thể lan truyền, gây nguy hiểm cho nhà trạm đặt thiết bị Ngoài ra, nhà trạm cũng có thể chịu các nguy hiểm do sét lan truyền từ đường dây điện lực và/hoặc đường dây viễn thông dẫn từ ngoài vào

Hình 1 – Vị trí lắp đặt các trạm gốc vô tuyến (RBS) 3.1 Hiện trạng thực hiện bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

a) Cột anten

- Việc trang bị chống sét đánh trực tiếp cho các trạm gốc vô tuyến chủ yếu dùng điện cực thu lôi Franklin Khi thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp, chưa tính toán độ cao cột anten và vị trí lắp đặt anten để kim thu sét che phủ toàn bộ các đối tượng cần bảo vệ, tránh sét đánh vào thân anten hoặc vào anten (xem hình 2)

- Ở một số trạm, ống dẫn sóng và dây dẫn bên ngoài của cáp đồng trục chưa được kết nối với cột kim loại qua các bộ phận gá lắp bằng kim loại của anten

Hình 2- Trang bị chống sét đánh trực tiếp cho trạm gốc vô tuyến

b) Hệ thống tiếp đất

- Do các trạm gốc vô tuyến lắp đặt chủ yếu tại các nhà chung cư, nhà dân nên việc thực hiện nối đất gặp nhiều khó khăn, thường chỉ dùng 1 dây dẫn thoát sét Hệ thống tiếp đất đa phần chỉ dùng 1 đến 3 cọc

- Các nhà trạm thường chưa đảm bảo về trị số điện trở của hệ thống tiếp đất yêu cầu trong tiêu chuẩn ngành (≤10Ω)

3.2 Hiện trạng thực hiện bảo vệ cáp dẫn từ cột anten xuống nhà trạm

Một số chưa có thanh kết nối tại điểm cáp từ cột cao vào nhà trạm Vì vậy, các ống dẫn sóng và dây dẫn ngoài của cáp đồng trục chưa được nối với thanh kết nối (Thanh kết nối này được dùng để dẫn dòng sét cảm ứng ở cáp đồng trục xuống đất khi có sét đánh)

Một số trạm có cáp điện để thắp sáng cho cột cao chưa được kết nối qua thiết bị chống sét

Đa số các trạm đều đã lắp thiết bị chống sét SPD giữa các dây dẫn bên trong và bên ngoài của cáp đồng trục đi từ cột anten vào nhà trạm (xem hình 3)

Hình 3 - Bảo vệ cáp dẫn từ cột an ten xuống nhà trạm

3.3 Hiện trạng thực hiện bảo vệ bên trong nhà trạm

- Các nhà trạm đặt thiết bị đều chưa có mạng liên kết chung CBN nên không thực hiện được cân bằng điện thế và che chắn điện từ cho các thiết bị bên trong Vì chưa có mạng CBN nên việc kết nối các thành phần dẫn điện như khung thiết bị, giá đỡ cáp và các vỏ máy với nhau và với CBN tại nhiều điểm chưa được thực hiện

- Các nhà trạm đặt thiết bị đều đấu nối tiếp đất cho thiết bị viễn thông theo mạng liên kết hình sao (S-BN) xem hình 4, các mạng liên kết M-BN và M-IBN hầu như không được thực hiện

Hình 4 - Cấu hình mạng liên kết hình sao S-BN

- Về đấu nối tiếp đất bảo vệ:

Giá đỡ cáp phía bên trong và phía bên ngoài nhà trạm không liên tục với nhau Giá đỡ cáp khác nhau không được nối liên kết với nhau, tại các vị trí nối chưa thực hiện liên kết liên tục về điện tốt (xem hình 4)

Các thành phần kim loại chưa được nối liên tục về điện với nhau và chưa được tiếp đất hợp lý

- Thực hiện bảo vệ tại ranh giới giữa LPZ1 và LPZ2 (Ranh giới giữa các vùng LPZ1

và LPZ2 chính là các vỏ và khung giá thiết bị xem hình 5)

Chưa thực hiện đầy đủ biện pháp sau (xem hình 6):

• Kết nối vỏ che chắn của cáp với vỏ thiết bị tại cả hai đầu cáp

• Kết nối các dây đất bảo vệ (PE) với các giá kim loại của thiết bị

• Kết nối các kết cấu kim loại đỡ cáp với các khung giá thiết bị tại ít nhất 2 điểm cách xa nhau

K.056_F01

LPZ0

Cét cao anten

C¸p tõ cét cao LPZ1

LPZ2

Th.bÞ

Ranh giíi gi÷a LPZ0 vµ LPZ1

Ranh giíi gi÷a LPZ1 vµ LPZ2

Nguån ®iÖn ViÔn th«ng

H×nh 5 - Minh häa viÖc ph©n vïng chèng sÐt t¹i

mét tr¹m RBS

Hình 6 - Bảo vệ tại ranh giới giữa LPZ1 và LPZ2

3.4 Hiện trạng thực hiện chống sét ở các điểm đi vào của các đường dây dịch vụ

Đa số trạm RBS có liên kết kim loại với đường dây cấp điện, đường dây viễn thông Tuy nhiên chưa thực hiện đầy đủ các biện pháp bảo vệ tại các điểm đi vào của đường dây này

3.5 Phân tích và đánh giá

Từ kết quả khảo sát ở trên có thể nhận thấy việc chống sét và tiếp đất cho các trạm gốc vô tuyến trên thực tế chưa được thực hiện một cách có hiệu quả và có hệ thống

Để khắc phục những vấn đề trên, chống sét và tiếp đất cho trạm gốc vô tuyến cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Thiết kế chống sét cần dựa trên cơ sở tính toán rủi ro thiệt hại do sét gây ra, so sánh với mức rủi ro thiệt hại cho phép, từ đó có các biện pháp và thủ tục bảo vệ chống sét thống nhất và đạt hiệu quả cao;

- Với biện pháp chống sét đánh trực tiếp cần thiết kế đảm bảo sao cho vùng bảo vệ che phủ hoàn toàn đối tượng cần bảo vệ;

- Để chống sét lan truyền từ bên ngoài nhà trạm qua đường dây thông tin và đường dây điện lực, cần xem xét các biện pháp sau:

• Lựa chọn loại cáp (thông tin và điện lực) có vỏ che chắn với trở kháng truyền đạt nhỏ;

• Thực hiện tiếp đất và liên kết đẳng thế cho vỏ cáp theo quy định trong tiêu chuẩn Ngành TCN68-141:1999 “Tiếp đất cho các công trình viễn thông” Cáp

đồng trục dẫn từ anten xuống phải được đặt trong lòng cột tháp và tiếp đất ở vị trí từ cột tháp sang cầu cáp và vị trí đi vào nhà trạm

• Lắp đặt thiết bị chống sét tại vị trí cáp đi vào nhà trạm Thiết bị bảo vệ phải phối hợp tốt với khả năng chịu đựng của thiết bị

- Để chống sét lan truyền và cảm ứng điện từ bên trong nhà trạm, cần xem xét các biện pháp sau:

• Thực hiện liên kết đẳng thế tại ranh giới giữa các vùng chống sét (LPZ) đối với các thành phần và hệ thống kim loại (các đường ống dẫn kim loại, các khung giá cáp, khung giá thiết bị)

• Liên kết các thành phần kim loại của toà nhà với nhau và với hệ thống chống sét đánh trực tiếp, ví dụ mái nhà, bề mặt bằng kim loại, cốt thép và các khung cửa bằng kim loại của tòa nhà

• Lắp đặt các thiết bị chống sét tại giao diện dây - máy (tại ranh giới LPZ1 và LPZ2) Thiết bị chống sét được lựa chọn phối hợp tốt với khả năng chịu đựng của thiết bị cần bảo vệ và chịu đựơc dòng xung sét xuất hiện tại vị trí lắp đặt

• Thực hiện mạng liên kết chung CBN và cấu hình đấu nối cho thiết bị trong nhà trạm (MBN, M-IBN hoặc S-IBN), không thực hiện đấu nối theo cấu hình S-BN

IV NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CÁC TIÊU CHUẨN, QUY ĐỊNH, QUY TRÌNH

VỀ CHỐNG SÉT CHO CÁC TRẠM VIỄN THÔNG CỦA CÁC TỔ CHỨC VÀ CÁC QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI.

Các tổ chức quốc tế như IEC (International Electrotechnical Commissinon), ISO (International Standard Organization), ITU (International Telecommunication Union), ETSI và một số tổ chức tiêu chuẩn quốc gia tiên tiến như French Standard NFC, AS (Australian Standard), đưa ra nhiều tài liệu, tiêu chuẩn chống sét cho các công trình (trong đó có công trình viễn thông và đặc biệt là cho các trạm gốc vô tuyến) Sau đây

là tên các tổ chức/ quốc gia và tên các tài liệu, tiêu chuẩn đã được nhóm chủ trì thu thập và nghiên cứu:

1 IEC (International

Electrotechnical

Commissinon)

IEC 1024-1 Protection of structures against lightning

Part 1: General principles 03/ 1990, edition 2003

IEC 61024-1-1:1993, Protection of structures against

lightning – Part 1: General principles – Section 1:

Guide A: Selection of protection levels for lightning