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

P a g e | 1 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. Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 2 MỤC LỤC Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 3 Danh mục các kí hiệu và thuật ngữ viết tắt LPL Lightning Protection Level Mức bảo vệ chống sét LPS Lightning Protection System Hệ thống bảo vệ chống sét LPZ Lightning Protection Zone Vùng bảo vệ chống sét SPD Surge Protective Device Thiết bị bảo vệ xung BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc GAF Grounding Augmentation Fill Chất độn làm tăng khả năng tiếp đất Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 4 Danh mục bảng biểu và hình vẽ Hình 1.1 Hình ảnh về sấm sét Trang 7 Hình 1.2 Hình minh họa tia sét Trang 8 Hình 1.3 Hiện tượng đối lưu mùa hè gây mưa giông Trang 11 Hình 1.4 Minh họa không gian hình thành sét Trang 12 Hình 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 21 Hình 3.1 Các vùng xuất hiện dòng sét trong quá trình truyền lan Trang 30 Hình 3.2 Tiếp đất dạng thanh chôn thẳng đứng trong đất Trang 36 Hình 3.3 Tiếp đất dạng dây dài nằm ngang Trang 38 Hình 3.4 Hệ thống tiếp đất trong đất có điện trở suất của đất cao Trang 40 Hình 3.5 Hệ thống tiếp đất có cải tạo bằng muối ăn Trang 42 Hình 3.6 Biểu đồ xác định lượng RES- LO câng thiết Trang 44 Hình 3.7 Bán cầu giao diện và hố được sử lý bằng GAF Trang 46 Hình 3.8 Điện cực tiếp đất hóa học Trang 47 Hình 3.9 Lắp đặt điện cực tiếp đất hóa học Trang 48 Hình 3.10 Các kết cấu cốt cơ bản Trang 49 Bảng 2.1 Giá trị tham số dòng sét theo LPL Trang 20 Bảng 3.1 Điện trở suất và điện dẫn suất của đất và nước Trang 28 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 5 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 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 6 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. Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 7 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 3.10 6 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 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 8 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 Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 9 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) Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 10 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 10 5 – 10 6 m/s. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện khoảng 10 13 – 10 14 ion/m 3 ,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. Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 [...]... 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. .. đất sét pha và đất oxit Nghiên cứu khoa học sinh viên 2012 P a g e | 23 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) Điện dẫn suất , = Vùng ven biển cát khô (5,0 ) (0,1 ) Vùng. .. sét phóng xuống đất ,ở điểm sét chạm đất thường cường độ điện trường lớn gấp nhiều lần giá trị cường độ điện trường đánh xuyên đất.Tại điểm sét chạm đất sẽ hình thành các vùng tia lửa và tia phun Vùng tia lửa được xác định như là vùng có độ dẫn cao. Kích thước của vùng tia lửa phụ thuộc vào tính chất điện của đất,biên độ dòng sét và được xác địn bởi cường độ điện trường đánh xuyên cực đại của dòng sét. .. 17 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... mạch cung cấp điện cho các thiết bị viễn thông này Trong trường hợp ngược lại,dòng sét có thể chảy vào các thiết bị viễn thông theo hệ thống tiếp đất bảo vệ Phải đảm bảo sao cho điện trở giữa hai điểm nối của các hệ thống tiếp đất bằng không,vì dòng rò có thể tạo ra sụt áp giữa các điểm nối và trở thành nguồn tạp âm điện từ phụ đối với các mạch của thiết bị viễn thông  Tiếp đất công tác Các tiếp đất... 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. .. chống sét bảo vệ các công trình và thiết bị viễn thông. Có 2 mục đích chính của tiếp đất là: - Chống quá áp xuất hiện trên vỏ che chắn của các thiết bị viễn - thông, các khung của nhà và công trình khi bị sét đánh Giảm mức điện áp và dòng điện bên trong và bên ngoài các mạch của thiết của bị viễn thông và thiết bị kỹ thuật do tác động của sét  Phân loại tiếp đất trong viễn thông Theo chức năng ta có thể... đất chống sét: Tiếp đất chống sét nhằm để dẫn dòng sét (từ các bộ phóng điện bảo vệ, từ thanh và dây thu lôi hoặc các kết cấu - khác do sét hoặc có thể và sét đánh) xuống đất Tiếp đất bảo vệ: Tiếp đất bảo vệ nhằm đảm bảo an toàn cho các nhân viên khai thác,nhờ tiếp đất các bộ phận bằng kim loại của công trình và thiết bị viễn thông mà bình thường chúng có điện thế không,nhưng có thể xuất hiện điện áp... 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. .. 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 . 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. 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. 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