Bộ tạo ion là một thành phần của hệ thống phân tán năng lợng sét. Cấu tạo của bộ tạo Ion có khoảng vài đầu kim loại nhọn. Chức năng của chúng là để dịch chuyển điện tích đợc tập trung vào phần tử không khí ở gần qua nguyên lý phóng điện điểm. Kết quả là các ion tạo ra từ các điểm nhọn bứt phá vào không gian bên trên và tạo ra một khu vực hỗn hợp của các phần tử tích điện và không tích điện đợc gọi là không gian tích điện hay là khoảng không tích điện. Không gian tích điện này tạo thành tấm chắn giữa khu vực đợc bảo vệ và đám mây dông. Kết quả của hiệu quả che chắn là làm giảm trờng điện từ bên dới không gian tích điện đó. Bộ tạo Ion có thể đợc thiết kế để tạo ra mật độ không gian tích điện theo yêu cầu phụ thuộc vào vật thể mà chúng bảo vệ. DAS (LEC – Mỹ) SBI (LEC – Mỹ) TS 400 (Alltec – Mỹ)
TS 500 (Alltec – Mỹ)
ALS1000
(LPS – Mỹ) ALS100
(LPS – Mỹ)
Hình 2.9 Một số bộ tạo Ion đang đợc sử dụng 2.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân tán năng lợng sét
Nh đã trình bày ở phần trên, điều kện để sét đánh xuống công trình là nó phải tạo ra quá trình tiên đạo hoàn chỉnh từ đám mây đến công trình. Hệ thống phân tán năng l- ợng sét áp dụng nguyên lý này để ngăn chặn sét đánh vào công trình bằng cách ngăn chặn quá trình tiên đạo kết thúc vào công trình cần bảo vệ bằng cách ngăn chặn tiên đạo ngợc đi lên và triệt tiêu tiên đạo đi xuống.
Nguyên lý phóng điện điểm nh ta đã biết khi 1 đầu kim loại đợc đặt trong trờng điện từ mạnh sẽ làm ion hoá không khí và các ion sẽ đợc chuyển dịch về phía tích điện trái dấu. Trong trờng điện từ của dông sét tăng lên đủ mạnh sẽ gây ra hiện tợng Ion hoá phần không khí tại đầu nhọn của bộ tạo ion và bứt phá các Ion vào không gian. Bộ tạo ion đợc tạo thành từ hàng nghìn các điểm nhọn khi đặt trong trờng điện từ của đám mây dông sẽ tạo ra các điện tích vào không gian và hình thành không gian tích điện bên trên điện cực. Khi đó cờng độ điện trờng bên dới không gian tích điện sẽ giảm nhỏ xuống và không còn xảy ra hiện tợng phát tiên đạo từ các đối tợng bên dới.
Theo nghiên cứu của Tiễn sỹ Bazelyan, một nhà khoa học hàng đầu thế giới chuyên nghiên cứu về sét tại Viện năng lợng Nga và các cộng sự đã chứng minh hiệu quả bảo vệ của DAS, một loại điện cực phân tán năng lợng sét, đã cho thấy chúng có thể tạo ra và duy trì không gian tích điện trong khu vực có điện thế cao và ngăn chặn phóng điện qua không gian tích điện đó.
Việc ngăn chặn tiên đạo kết thúc vào khu vực cần bảo vệ là yếu tố chính để ngăn chặn sét đánh vào khu vực cần bảo vệ. Khi tiên đạo đến gần điểm kết thúc tốc độ trung bình là 0,4 m/às trong khoảng 100 m cuối cùng.
Để ngăn ngừa tốc độ kết thúc đó, một lợng đủ lớn không gian tích điện đã phải hình thành đã ở khu vực mà sau đó tiên đạo truyền qua và duy trì trong khoảng thời gian 50 đến 100 às, bằng với thời gian đến gần của tiên đạo.
- Các bộ tạo Ion đợc nghiên cứu và chế tạo một cách thích hợp để ngăn chặn sét đánh vào khu vực bảo vệ bằng cách phát ra tổ hợp không gian tích điện trớc khi phòng điện phản ứng mật độ cao bị kích hoạt bởi tiên đạo sét đến gần. Tích điện không gian tiền tiên đạo đợc cố định bởi kích thớc bộ tạo Ion, trờng điện từ và thời gian giữa các phóng điện và tốc độ di chuyển tích điện không gian. Tích điện không gian này sẽ ngăn chặn sự hình thành tiên đạo ngợc, nếu mật độ tích điện cao.
- Tiên đạo từ đám mây đi xuống sẽ có nhiều nhánh khác nhau, và một trong số các nhánh đó phải kết thúc.
- Hệ thống phân tán năng lợng sét ngăn chặn tiên đạo kết thúc vào công trình (khu vực) cần bảo vệ nh sau:
+ Ngăn chặn tiên đạo ngợc từ công trình đi lên nhờ không gian tích điện do bộ tạo ion sinh ra bên trên công trình khi tiên đạo từ đám mây đi xuống gần đến công trình. + Nếu một nhánh nào đó của tiên đạo từ đám mây đi xuống hớng đến công trình mà hệ thống phân tán năng lợng sét bảo vệ sẽ phải đi vào không gian tích điện do hệ thống phân tán năng lợng sét tạo ra và bị triệt tiêu.
- Các nhánh tiên đạo khác tiếp tục phát triển và một nhánh nào đó gặp tiên đạo ngợc từ các công trình bên ngoài vùng bảo vệ của hệ thống phân tán năng lợng sét và khép kín quá trình tiên đạo, dòng điện tích sẽ đánh vào công trình đó.
2.3.3 Vùng bảo vệ của hệ thống phân tán năng lợng sét
- Vùng bảo vệ của hệ thống phân tán năng lợng sét là một vùng bên dới vị trí lắp đặt bộ tạo ion và có hệ thống tập trung điện tích trong đất.
- Khi thiết kế hệ thống tập trung điện tích trong đất phải thiết kế trên toàn bộ khu vực cần bảo vệ.
2.3.4 Mô hình sử dụng hệ thống phân tán năng lợng sét bảo vệ cho các côngtrình Viễn thông. trình Viễn thông.
- Hệ thống phân tán năng lợng sét ngăn chặn sét đánh vào vùng bảo vệ nên rất phù hợp để sử dụng làm chống sét đánh trực tiếp cho các trung tâm Viễn thông, đặc biệt là các trung tâm Viễn thông lớn, quan trọng có cột anten cao và nằm trong khu vực có mật độ sét lớn.
- Các bộ tạo ion cần lắp đặt trên các cột anten và bố trí ở các độ cao khác nhau. Vị trí lắp đặt bộ tạo ion bao gồm đỉnh cột, dọc theo các vị trí khác nhau trên thân cột đối với các cột cao trên 45 m.
- Đối với các cột anten sử dụng bộ tạo ion DAS thì lắp đặt DAS trên đỉnh cột và sử dụng các bộ tạo Ion nhỏ nh SBI (LEC), ALS (LPS), TS (Alltec) lắp đặt dọc trên thân cột.
- Đối với các cột anten sử dụng các bộ tạo ion nhỏ nh ALS, SBI, SBT thì bố trí 1 tầng bộ tạo ion trên đỉnh và bố trí một số bộ tạo ion dọc theo thân cột.
- Hệ thống tập trung điện tích trong đất (gồn các dây dải và các điện cực tiếp đất) cần bố trí xung quanh cột anten, xung quanh nhà trạm và xung quanh khu vực khuôn viên trung tâm viễn thông.
- Điện trở của hệ thống tập trung điện tích trong đất không lớn hơn 10 Ω.
Bảng 2.4 Đặc điểm của hệ thống phân tán năng lợng sét
Đăc điểm Đánh giá
- Diện tích vùng bảo vệ hạn chế
-Xác suất sét đánh vào vùng bảo vệ không có
- Số lợng điện cực sử dụng nhiều
- Chi phí đầu t rất lớn
- Các ảnh hởng thứ cấp do dòng sét gây ra không có
- Yêu cầu hệ thống tiếp đất toàn bộ khu vực cần bảo vệ
2.4 Khuyến nghị áp dụng
- Ba hệ thống chống sét đánh trực tiếp đã đợc trình bày trong chơng này có những u, nhợc điểm khác nhau. Việc áp dụng hệ thống nào để chống sét đánh trực tiếp cho từng công trình Viễn thông cụ thể sẽ đợc quyết định dựa vào đặc điểm công trình cũng nh quy mô (lợng vốn) đầu t cho chống sét của công trình Viễn thông đó.
- Hệ thống Franklin có thể dụng làm chống sét đánh trực tiếp bảo vệ tất cả các loại công trình khác nhau. Nên sử dụng cho các công trình có chiều cao không lớn hơn 45 m, ít quan trọng và nằm trong khu vực có mật độ sét thấp, chi phí đầu t nhỏ. - Hệ thống phát tiên đạo sớm có thể sử dụng làm chống sét đánh trực tiếp bảo vệ các công trình dạng điểm (các trung tâm Viễn thông). Nên sử dụng cho các công trình có diện tích lớn, có nhiều công trình khác nhau nằm trong một khu vực, có chi phí đầu t trung bình.
- Hệ thống phân tán năng lợng sét có thể sử dụng làm chống sét đánh trực tiếp bảo vệ tất cả các dạng công trình khác nhau. Nên sử dụng cho các công trình quan trọng nh các trung tâm Viễn thông lớn của VTI, VTN, trung tâm Viễn thông tỉnh, các trạm Viễn thông có tổng đài HOST, MSC và có chi phí xây dựng lớn.
Bộ tạo ion
Chơng III. chống sét lan truyền cho các công trình Viễn thông
3.1 Chống sét lan truyền trên đờng điện lới
Chống sét lan truyền trên đờng điện lới để bảo vệ các công trình và thiết bị Viễn thông ngời ta sử dụng 1 loại thiết bị chống sét nh sau:
- Thiết bị cắt sét - Thiết bị cắt lọc sét
3.1.1 Thiết bị cắt sét
Thiết bị cắt sét có cấu trúc cơ bản là các Varistor ôxít kim loại (MOV). MOV có đặc tuyến nh hình 3.1:
Hình 3.1 Đặc tuyến của MOV
Bình thờng MOV cách điện 2 cực, khi điện áp đặt vào 2 cực của MOV vợt quá ng- ỡng cắt của MOV thì nó sẽ thông 2 cực và cho dòng rất lớn chảy qua nó
- Cấu tạo của thiết bị cắt sét bao gồm các MOV nối giữa dây pha với dây trung tính, dây pha với đất và dây trung tính với đất. Thiết bị cắt sét đợc chế tạo theo một trong các dạng sau:
+ “Dây pha- Dây trung tính” và “Dây trung tính- Đất”.
+ “Dây pha- Dây trung tính”; “Dây pha- Đất”và “Dây trung tính- Đất”. + “Dây pha- Đất”và “Dây trung tính- Đất”.
U I 0 U ng Ung: Điện áp ng ỡng L1 L2 L3 N PE L1 L2 L3 N PE b) Dây pha – Đất Dây trung tính - Đất
Hình 3.2 Cấu tạo cơ bản của thiết bị cắt sét 3 pha
Mỗi một MOV có thể là tập hợp có nhiều MOV giống nhau và đợc sắp xếp song song và nối tiếp. Nếu các MOV đợc sắp xếp song song với nhau thì dòng cho phép đi qua sẽ bằng tổng dòng đi qua các MOV riêng lẻ, còn điện áp ngỡng bằng điện áp ngỡi của một MOV. Nếu các MOV sắp xếp nối tiếp với nhau thì dòng cho phép chạy qua bằng dòng chạy qua một MOV, điện áp ngỡng bằng tổng điện áp ngỡng của các MOV.
Thiết bị cắt sét đơc sử dụng tại đầu vào của đờng điện lới để triệt các xung sét xuất hiện trên đờng điện lới.
3.1.2 Thiết bị cắt lọc sét
- Cấu tạo của thiết bị cắt lọc sét bao gồm các MOV nối giữa dây pha với dây trung tính, dây pha với đất, dây trung tính với đất nh thiết bị cắt sét và bộ lọc thông thấp LC nối tiếp.
a) Dây pha – Dây trung tính Dây trung tính - Đất L1 L2 L3 N PE
c) Dây pha – Dây trung tính Dây pha - Đất; Dây trung tính - Đất
L1 L2 L3 N PE L1 L2 L3 C1 C2 C3 Chú thích: : MOV L : Dây pha N : Dây trung tính PE : Dây đất
Hình 3.3 Cấu tạo cơ bản của thiết bị cắt lọc sét 3 pha với mắt lọc LC nối tiếp
Với mạch lọc LC mắc nối tiếp nh trên thì thiết bị cắt lọc sét sẽ bị giới hạn dòng tải đến 1 ngỡng nhất định, nó phụ thuộc vào giá trị điện dung và tự cảm của tụ điện và cuộn cảm.
Ngoài cấu trúc sử dụng bộ lọc mắc nối tiếp, một số nhà sản xuất sử dụng bộ lọc mắc song song, với bộ lọc mắc song song thiết bị không bị hạn chế dòng tải do không có thành phần nào mắc nối tiếp với cáp điện nguồn.
Hiệu quả của bộ lọc mắc song song và bộ lọc mắc nối tiếp đợc trình bày trong hình 3.4
Hình 3.4 Các loại bộ lọc và tác dụng hạn chế xung sét.
Nh vậy thiết bị cắt lọc sét có mạch lọc LC mắc nối tiếp sẽ cắt xung sét và hạn chế đột biến xung đầu ra tốt nhất, mạch lọc LC mắc song song chỉ là bộ lọc nhiễu nên tác dụng giảm bớt đột biết của xung sét sau khi bộ cắt hoạt động rất hạn chế. Khi
lựa chọn thiết bị cắt lọc sét cần lựa chọn thiết bị có mạch lọc thông thấp LC mắc nối tiếp.
3.1.3 Mô hình lắp đặt thiết bị chống sét trên đờng điện lới
3.1.3.1 Mô hình lắp đặt thiết bị cắt sét nhiều cấp.
Mô hình lắp đặt thiết bị cắt sét nhiều cấp đợc khuyến nghị trong các tiêu chuẩn của các quốc gia Châu Âu. Các thiết bị cắt sét đợc chế tạo theo các lớp khác nhau bao gồm class I, class II, class III.
Các thiết bị cắt sét class I đợc lắp đặt ở vùng LPZ1, thiết bị class II đợc lắp ở vùng LPZ2, Thiết bị cắt sét class III đợc lắp ở vùng LPZ3.
Thiết bị cắt sét class I có khả năng cắt dòng sét lớn, biên độ dòng sét thiết bị có thể cắt khoảng 100 kA trở lên. Thiết bị cắt sét class II có khả năng cắt dòng sét trung bình, biên độ dòng sét thiết bị có thể cắt khoảng 40 kA. Thiết bị cắt sét class III có khả năng cắt dòng sét trung bình, biên độ dòng sét thiết bị có thể cắt khoảng 40 kA.
Khả năng cắt dòng của thiết bị cắt sét từ class I đến class III giảm dần vì ảnh h- ởng của dòng sét càng đi vào các vùng bảo vệ cao càng nhỏ đi.
Hình 3.5 Vùng chống sét và các loại thiết bị cắt sét lắp đặt
áp dụng mô hình vào mạng Viễn thông của VNPT thực hiện nh sau:
LPZ 0A LPZ 0B LPZ1 LPZ2 LPZ3 LPZ2 LPZ3 LPZ1 LPZ2
Class I Class II Class III
Class III Class II
LPZ1
Hình 3.6 Mô hình lắp đặt thiết bị cắt sét nhiều cấp bảo vệ đờng điện nguồn cung cấp cho thiết bị Viễn thông tại các trung tâm Viễn thông của VNPT.
3.1.3.2 Mô hình lắp đặt thiết bị cắt sét và thiết bị cắt lọc sét.
Mô lắp đặt thiết bị cắt sét và thiết bị cắt lọc sét để bảo vệ dờng điện lới cung cấp nguồn cho các trạm Viễn thông đợc thực hiện nh sau:
- Thiết bị cắt sét đợc lắp đặt tại phòng máy nổ trớc vị trí cầu dao đảo chiều - Thiết bị cắt lọc sét đợc lắp đặt tại phòng thiết bị
- Nếu phòng máy nổ cách xa nhà thiết bị và cáp nguồn từ phòng máy nổ đến nhà trạm đi treo nổi thì cần lắp đặt thêm thiết bị cắt sét thứ 2 khi cáp điện đi vào nhà trạm.
Mô hình lắp đặt thiết bị cắt sét và cắt lọc sét đợc trình bày trong hình 3.7 và 3.8. nhà trạm
Phòng máy nổ Đến các tải yêu cầu bảo
vệ thấp nh chiếu sáng, động cơ, điều hoà ... Class I
phòng thiết bị
Đến các tải yêu cầu bảo vệ cao nh tổng đài, thiết bị truyền dẫn, thiết bị công nghệ thông tin...
Class II
Class III Trạm biến áp
Hình 3.7 Mô hình lắp đặt thiết bị cắt sét và thiết bị cắt lọc sét trong trờng hợp cáp từ phòng máy nổ đến nhà trạm không đi nổi bên ngoài
Hình 3.8 Mô hình lắp đặt thiết bị cắt sét và thiết bị cắt lọc sét trong trờng hợp cáp từ phòng máy nổ đến nhà trạm đi nổi bên ngoài
3.1.4 Khuyến nghị
Hai mô hình lắp đặt thiết bị chống sét trên đờng điện lới nh trình bày ở trên nên áp dụng mô hình lắp đặt thiết bị cắt sét và thiết bị cắt lọc sét vì:
- Mô hình này hạn chế đợc xung sét tốt hơn.
nhà trạm
Phòng máy nổ Đến các tải yêu cầu bảo
vệ thấp nh chiếu sáng, động cơ, điều hoà ... Thiết bị
cắt sét
phòng thiết bị
Đến các tải yêu cầu bảo vệ cao nh tổng đài, thiết bị truyền dẫn, thiết bị công nghệ thông tin... Thiết bị
cắt lọc sét
nhà trạm
Phòng máy nổ Đến các tải yêu cầu bảo