Luận văn Nghiên cứu giải pháp chống sét trong trạm viễn thông (Phần 1)
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu giải pháp chống sét trong trạm viễn thông (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Tài liệu đính kèm:
luan_van_nghien_cuu_giai_phap_chong_set_trong_tram_vien_thon.pdf
Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu giải pháp chống sét trong trạm viễn thông (Phần 1)
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI KIM CƯỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT TRONG TRẠM VIỄN THÔNG S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 3 9 6 6 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI KIM CƢỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT TRONG TRẠM VIỄN THÔNG NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250 Hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 04 năm 2013
- LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Bùi Kim Cƣờng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26-04-1986 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 13/C3 Khu Phố 1 Phƣờng Long Bình Tân Biên Hòa – Đồng Nai. Điện thoại riêng: 0933.728.408 E-mail: Cuongkim63@yahoo.com.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 11/2005 đến 11/ 2010 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Lạc Hồng - Biên Hòa, Đồng Nai Ngành học: Điện Khí Hóa Cung Cấp Điện Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên Cứu & Thiết Kế Máy Phát Điện Chạy Bằng Khí Biogas Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trƣờng Đại Học Lạc Hồng Ngƣời hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Vũ Quỳnh III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: - Từ năm 2011 đến nay công tác tại công ty TNHH V.P.S (Vinacrete Pumping System) Long Thành – Đồng Nai
- LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên)
- LỜI CẢM TẠ Điều trước tiên, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Quyền Huy Ánh, người Thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những tài liệu vô cùng quí giá và dìu dắt tôi thực hiện hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Xin chân thành cám ơn đến tất cả Quí Thầy, Cô đã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu sau này. Xin cảm ơn Gia đình đã tạo mọi điều kiện để tôi yên tâm học tập tốt trong suốt thời gian vừa qua. Xin cảm ơn tất cả bạn bè thân thuộc đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Xin cảm ơn các Anh Chị em học viên cao học khóa 2011A, những người luôn giành những tình cảm sâu sắc nhất, luôn bên cạnh, luôn động viên, khuyến khích tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá thực hiện luận văn này. TP.Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013 Người thực hiện Bùi Kim Cường
- TÓM TẮT LUẬN VĂN Sét là hiện tƣợng tự nhiên thƣờng xuyên xảy ra trong năm và tác hại của sét là rất lớn, đặc biệt đối với các thiết bị điện nhạy cảm. Một trạm viễn thông điển hình đƣợc mô hình hóa và mô phỏng bằng phần mềm ATP-EMTP, nơi đƣợc giả định mật độ sét thƣờng xuyên xảy ra nhằm mục đích xác định ảnh hƣởng của sét đánh trực tiếp lên đƣờng dây phân phối trên không và cột tháp vô tuyến trong trạm cũng nhƣ ảnh hƣởng của xung sét cảm ứng đến hệ thống điện khi có sét đánh ở khu vực xung quanh nhà trạm. Từ đó giúp hổ trợ những tiêu chí lựa chọn của thiết bị chống sét ở những vị trí khác nhau, đảm bảo tính an toàn và hoạt động ổn định của trạm viễn thông là một trong những lợi ích cốt yếu chính liên quan đến chất lƣợng dịch vụ của nhà trạm cung cấp đến khách hàng, nối đất cũng là một yếu tố cần quan tâm.
- SUMMARY Lightning is a natural phenomenon often occurs during the year and the harmful effects of lightning is very large, especially for sensitive electrical equipment. A typical telecommunication station is modeled and simulated using ATP-EMTP software, where the density is assumed clay often occurs for the purpose of determining the direct effects of lightning on overhead distribution lines and radio towers in stations as well as the effects of lightning impulse to touch the electrical systemwhen there is lightning in the area around the station. Thus helping to develop criteria for selection of surge protective devices in different positions, ensure the safety and stable operation of telecommunications station is one of the key benefits related to the quality of the service station provides to customers, the ground is also a factor of concern.
- MỤC LỤC Trang Phần mở đầu 1 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN CHUNG 2 1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ TRẠM VIỄN THÔNG 2 1.2. TỔNG QUAN VỀ SÉT 4 1.3. Tính cấp thiết của đề tài 9 1.4. Tổng quan các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài 10 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 10 1.6. Mục tiêu nghiên cứu 11 1.7. Đối tƣợng nghiên cứu 11 1.8. Nhiệm vụ nghiên cứu 11 1.9. Phƣơng pháp nghiên cứu 11 1.10. Đề cƣơng luận văn 12 CHƢƠNG 2 : TÁC HẠI VÀ THÔNG SỐ CỦA SÉT, PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA SÉT LÊN TRẠM VIỄN THÔNG ĐIỂN HÌNH 13 2.1. HẠI DO SÉT GÂY RA 13 2.2 CÁC THÔNG SỐ CẦN QUAN TÂM CỦA SÉT 15 2.3. MÔ TẢ TRẠM VIỄN THÔNG ĐIỂN HÌNH. 18 2.3.1. Kích thƣớc trong trạm viễn thông tiêu biểu. 19 2.4. PHÂN TÍCH SÉT ĐÁNH LÊN CÔNG TRÌNH VIỄN THÔNG. 20 2.5. SÉT ĐÁNH LÊN CỘT THÁP VÀ ĐƢỜNG DÂY 22KV. 20 2.6. XUNG CẢM ỨNG DO SÉT GÂY RA TRÊN ĐƢỜNG DÂY 22KV. 21 CHƢƠNG 3 : LỰA CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ VÀ PHÂN VÙNG BẢO VỆ CHO TRẠM VIỄN THÔNG. 3.1. LỰA CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ XUNG SÉT CHO TRẠM VIỄN THÔNG. 25 3.2. TÌM HIỂU CHỐNG SÉT VAN MOV. 28 3.2.1. Cấu tạo. 28 3.2.2. Đặc tính V-I. 30 3.2.3. Thời gian đáp ứng. 31
- 3.2.4. Năng lƣợng cho phép và công suất tiêu tán trung bình. 32 3.2.4.1. Năng lƣợng cho phép. 32 3.4.2.2. Công suất tiêu tán trung bình. 33 3.3. PHÂN VÙNG BẢO VỆ TRẠM VIỄN THÔNG. 34 CHƢƠNG 4 : TIẾP ĐẤT CHO TRẠM VIỄN THÔNG. 4.1. TIẾP ĐẤT CHO NHÀ TRẠM. 37 4.2. TIẾP ĐẤT BẢO VỆ ĐƢỜNG DÂY THÔNG TIN. 38 4.3. TIẾP ĐẤT DÂY ĐIỆN LỰC. 39 4.4. TIẾP ĐẤT CỘT THU SÓNG. 40 4.5. LƢỚI TIẾP ĐẤT TRONG TRẠM VIỄN THÔNG 40 CHƢƠNG 5 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ATP 5.1. TỔNG QUAN VỀ ATP. 42 5.1.1. ATP là gì. 42 5.1.2. Mô hình và những ứng dụng của ATP. 42 5.1.2.1. Mô hình trong ATP. 42 5.1.2.2. Những ứng dụng của ATP. 43 5.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ATP. 44 5.3. GIỚI THIỆU VỀ CÁCH SỬ DỤNG PHẦN MỀM ATP. 45 5.3.1. Cửa sổ hoạt động chính trong ATP. 45 5.3.2. Cách sử dụng phần mềm ATP. 46 5.3.3. Trình đơn Edit. 49 5.3.4. Trình đơn View. 49 5.3.5. Trình đơn ATP. 50 5.3.6. Trình đơn tool. 52 5.3.7. Lựa chọn các phần tử. 53 5.4. GIỚI THIỆU PLOT TRONG ATP. 59 5.4.1. Khởi động chƣơng trình PlotXY. 59 5.4.2. Cách sử dụng PlotXY. 60 CHƢƠNG 6 : XÂY DỰNG CẤU HÌNH MÔ PHỎNG 6.1. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM XUNG SÉT DÒNG, XUNG SÉT ÁP. 64 6.1.1. Xung sét áp 1000V dạng sóng T1/T2 = 1,2/50µS 64 6.1.2. Xung sét dòng 30kA dạng sóng T1/T2 = 5,5/75µS 65 6.1.3. Xung sét 3kA dạng sóng T1/T2 = 2,4/5µS 66 6.1.4. Xung sét dòng 100kA dạng sóng T1/T2 = 10/350µS 67 6.2. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM CHỐNG SÉT VAN 6.2.1. Chống sét van trung áp ToShiBa 15kV-40kA 68 6.2.2. Chống sét van hạ áp EPCOS-SIOV-B80K275 68 6.2.3. Chống sét van hạ áp EPCOS-SIOV-B80K250 70 6.3. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM MÁY BIẾN ÁP PHÂN PHỐI 71 6.3.1. Kiểm nghiệm mô hình biến áp không tải với xung sét áp 1000V dạng sóng T1/T2 = 1,2/50µS. 71 6.3.2. Kiểm nghiệm mô hình biến áp mang tải 3300Ω với xung sét áp 1000V dạng sóng T1/T2 = 1,2/50µS. 72 6.4. MÔ PHỎNG CẤU HÌNH TRẠM VIỄN THÔNG 6.4.1. Mô phỏng sét đánh trực tiếp vào đƣờng dây 22kV. 73
- 6.4.1.1. Khảo sát khi gắn một van chống sét đầu sơ cấp biến áp 73 6.4.1.2. Khảo sát khi gắn thêm van chống sét ở tủ phân phối 75 6.4.1.3. Khảo sát khi gắn thêm van chống sét cho đèn báo trên không. 77 6.4.1.4. Mô phỏng xung sét cảm ứng đƣờng dây phân phối 22kV. 79 6.4.1.5. Khảo sát ảnh hƣởng xung sét cảm ứng đến trạm viễn thông khi gắn chống sét van tại đầu sơ cấp biến áp. 79 6.4.1.6. Khảo sát ảnh hƣởng xung sét cảm ứng đến trạm viễn thông khi gắn thêm chống sét van tại tủ phân phối chính. 81 6.4.1.7. Khảo sát ảnh hƣởng xung sét cảm ứng khi gắn thêm chống sét van cho đèn báo trên không. 83 6.4.2. Mô phỏng sét đánh trực tiếp vào cột thu sóng viễn thông. 84 CHƢƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. 7.1. KẾT LUẬN. 87 7.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI. 87 Tài liệu tham khảo Phụ lục
- CÁC TỪ VIẾT TẮT GSM Global System for Mobile Communication MS Mobile Subscriber ATP Electromagnetic Transients Program LPZ Lightning Protection Zone SPD Surge Protective Device LEMP Lightning Electromagnetic Impulse LPMS LEMP protection measures system BTS Base Transceiver Station MOV Metal Oxide Varistor GDTs Gas Discharge Tubes SADs Silicon Avalanche Diodes CBN Common Bonding Network TN-C Terre Neutral – Combine TACS Transient Analysis of Control Systems TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam
- DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Hoạt động tổng quan trong trạm viễn thông. 2 Hình 1.2 : Tổng quan chung nhà trạm viễn thông. 3 Hình 1.3 : Phân bố điện tích khi có đám mây dông. 4 Hình 1.4 : Giai đoạn phóng tia tiên đạo. 6 Hình 1.5 : Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt. 7 Hình 1.6 : Giai đoạn phóng điện ngƣợc hay phóng điện chủ yếu. 8 Hình 1.7 : Giai đoạn phóng điện kết thúc. 8 Hình 1.8 : Hình thành dông sét tác động lên công trình. 9 Hình 2.1 : Sét đánh trực tiếp cột tháp viễn thông. 13 Hình 2.2 : Những thiệt hại do dòng xung sét gây ra. 14 Hình 2.3 : Dạng sóng dòng sét chuẩn 15 Hình 2.4 : Bản đồ mật độ sét đánh trung bình hàng năm trên lãnh thổ Việt Nam 17 Hình 2.5 : Trạm viễn thông điển hình. 18 Hình 2.6 : Sơ đồ bố trí trạm viễn thông điển hình. 19 Hình 2.7 : Kích thƣớc cột tháp và tòa nhà chính. 20 Hình 2.8 : Trạm viễn thông chịu ảnh hƣởng của sét đánh trực tiếp lên đƣờng dây trên không 22kV và trên cột tháp vô tuyến. 21 Hình 2.9 : Sét đánh gần đƣờng dây trên không gây ra hiện tƣợng xung sét cảm ứng 23 Hình 3.1 : Thiết bị bảo vệ xung sét lắp trong các công trình. 25 Hình 3.2 : Thiết bị bảo vệ chống sét GDTs. 26 Hình 3.3 : Thiết bị bảo vệ chống sét SADs. 27 Hình 3.4 : Chống sét van Cooper. 27 Hình 3.5 : Hình ảnh chống sét van MOV. 28 Hình 3.6 : Cấu trúc MOV 29 Hình 3.7 : Sơ đồ cấu trúc của lớp biên tiếp giáp biến trở ZnO. 30 Hình 3.8 : Đặc tính V-I của MOV. 31 Hình 3.9 : Đáp ứng của biến trở ZnO xung tốc độ cao 32 Hình 3.10 : Đáp ứng của biến trở tính đến điện cảm đầu dây nối với xung dòng. 32 Hình 3.11 : Số lần xung có chịu đƣợc của chống sét van MOV. 33 Hình 3.12 : Quan hệ công suất tiêu tán và điện áp. 34 Hình 3.13 : Phân vùng bảo vệ chống sét. 35 Hình 3.14 : Minh họa phân vùng chống sét tại trạm viễn thông. 36 Hình 4.1 : Đấu nối và tiếp đất các phần tử trong nhà trạm 37 Hình 4.2 : Sơ đồ đấu nối và tiếp đất cơ bản của một nhà trạm viễn thông. 38 Hình 4.3 : Đặc điểm cấu tạo dây cáp thông tin. 38 Hình 4.4 : Nối các phần tử kim loại trong sợi cáp quang. 39
- Hình 4.5 : Phƣơng pháp đấu nối mạng cung cấp điện xoay chiều cho trạm viễn thông – Mạng phân phối nguồn bên ngoài là mạng TN-C. 39 Hình 4.6 : Tiếp đất cột tháp trạm viễn thông. 40 Hình 4.7 : Hệ thống lƣới tiếp đất đặt dƣới nhà trạm viễn thông. 41 Hình 4.8 : Tiếp nối đất tổng quát trong nhà trạm viễn thông. 41 Hình 5.1 : Cửa sổ hoạt động chính và menu lựa chọn các phần tử. 45 Hình 5.2 : Vào ATP từ menu Start 46 Hình 5.3 : Vào ATPDraw từ màn hình Desktop. 46 Hình 5.4 : Màn hình của ATP. 47 Hình 5.5 : Các lệnh trong trình file. 47 Hình 5.6 : Bản vẽ mới cho trƣơng trình ATP. 48 Hình 5.7 : Mở các file đã lƣu trong chƣơng trình. 48 Hình 5.8 : Trình đơn Edit. 49 Hình 5.9 : Trình đơn View. 50 Hình 5.10 : Các lựa chọn trong Option. 50 Hình 5.11 : Cài đặt các thông số cần thiết trong Setting. 51 Hình 5.12 : Cách cho chạy chƣơng trình. 51 Hình 5.13 : Cửa sổ chạy chƣơng trình. 52 Hình 5.14 : Trình Tool trong ATP. 52 Hình 5.15 : Các lựa chọn trong Option. 53 Hình 5.16 : Mục save option. 53 Hình 5.17 : Chọn các phần tử. 54 Hình 5.18 : Các phần tử đo trong ATP. 54 Hình 5.19 : Phần tử tuyến tính. 54 Hình 5.20 : Các phần tử phi tuyến đƣờng dây. 55 Hình 5.21 : Đƣờng dây thông số tập trung. 56 Hình 5.22 : Cách lấy đƣờng dây thông số rải. 56 Hình 5.23 : Công tắc điều khiển ATP. 57 Hình 5.24 : Các nguồn cơ bản trong ATP. 58 Hình 5.25 : Mô hình máy biến áp. 58 Hình 5.26 : Khởi động PlotXY từ Start. 59 Hình 5.27 : Khởi động PlotXY từ màn hình Desktop. 60 Hình 5.28 : Giao diện PlotXY. 60 Hình 5.29 : Mở file trong PlotXY. 61 Hình 5.30 : Giao diện dữ liệu PlotXY. 61 Hình 5.31 : Chuyển giá trị cần xem trong PlotXY. 61 Hình 5.32 : Đồ thị trong PlotXY. 61 Hình 6.1 : Sơ đồ kết nối nhà trạm viễn thông điển hình. 63
- Hình 6.2 : Mô hình tạo xung sét. 64 Hình 6.3 : Mô hình kiểm nghiệm chống sét van 68 Hình 6.4 : Kết quả kiểm nghiệm đƣờng cong đặc tính áp chống sét van trung áp ứng với xung sét 30kA-5,5/75µS. 71 Hình 6.4 : Mô hình máy biến áp thay thế. 71 Hình 6.5 : kiểm nghiệm mô hình máy biến áp không tải. 72 Hình 6.7 : Kiểm nghiệm mô hình máy biến áp mang tải. 73 Hình 6.8 : Kết quả dạng sóng điện áp ngõ ra khi mang tải. 73 Hình 6.9 : Sơ đồ tƣơng đƣơng sét đánh trực tiếp đƣờng dây 22kV trạm viễn thông với một chống sét van trung áp. 74 Hình 6.10a : Dòng điện đi qua thiết bị bảo vệ xung sét. 74 Hình 6.11 : Sơ đồ tƣơng đƣơng sét đánh trực tiếp đƣờng dây 22kV trạm viễn thông khi thêm chống sét van ở tủ phân phối. 76 Hình 6.12 : Sơ đồ tƣơng đƣơng sét đánh trực tiếp đƣờng dây 22kV trạm viễn thông khi thêm chống sét van tại đƣờng dây cung cấp nguồn đèn báo máy bay. 77 Hình 6.13 : Sơ đồ mô phỏng xung sét cảm ứng trên đƣờng dây trên không. 80 Hình 6.14 : Sơ đồ mạch mô phỏng xung sét cảm ứng đƣờng dây trên không với 2 chống sét van. 81 Hình 6.15a : Dòng điện đi qua đèn báo máy bay trên không. 83 Hình 6.15b : Dòng điện đi vào hệ thống tiếp đất của tòa nhà. 83 Hình 6.16 : Sơ đồ mô phỏng sét đánh trực tiếp lên cột tháp viễn thông 84
- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh PHẦN MỞ ĐẦU Trong những năm qua, cứ mỗi khi mùa mƣa đến, ngoài việc chuẩn bị các biện pháp phòng chống bão lụt chúng ta còn phải quan tâm đến một hiện tƣợng thiên nhiên khác có tác hại nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và con ngƣời đó là sét. Tác hại của sét là rất lớn, bao gồm tác hại do sét đánh trực tiếp, tác hại gián tiếp do cảm ứng tĩnh điện từ. Sự phá hủy của hầu hết các tia sét đánh trực tiếp rất rõ ràng, không những ảnh hƣởng đến vật chất mà còn gây thiệt hại đến tính mạng con ngƣời. Do tốc độ phát triển của nền kinh tế đất nƣớc, thông tin liên lạc đóng một vai trò hết sức quan trọng, các trạm viễn thông không ngừng đƣợc nâng cấp và xây dựng thêm. Nhu cầu sử dụng điện thoại di động ngày càng tăng và số lƣợng điện thoại di động mà các trạm có thể kết nối là có giới hạn từ đó các công ty điện thoại còn muốn mở rộng thêm nhiều vùng phủ sóng khác. Điểm đặc biệt nhà trạm viễn thông thƣờng đƣợc chọn lắp đặt ở những nơi cao, nên khả năng xảy ra hiện tƣợng sét đánh là rất lớn. Theo thống kê đối với ngành Bƣu Chính Viễn Thông vào năm 2011 có 53 sự cố do sét, chiếm 27,13% sự cố viễn thông và tổng thời gian mất liên lạc do sét là 716 giờ gây thiệt hại 4.119 tỷ đồng. Với đặc thù trải rộng khắp cả nƣớc, bao gồm hàng ngàn tổng đài, trạm viễn thông với hàng trăm loại thiết bị khác nhau, nguy cơ sét đánh vào mạng viễn thông là rất cao và việc phòng chống sét là hết sức khó khăn. Chính vì lý do đó đề tài “Nghiên cứu giải pháp chống sét trong trạm viễn thông” đƣợc hình thành. HVTH : Bùi Kim Cường Trang 1
- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG 1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ TRẠM VIỄN THÔNG Trạm viễn thông thực hiện tất cả các chức năng thu phát liên quan đến giao diện vô tuyến hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) và xử lí tín hiệu ở mức độ nhất định. Về 1 số phƣơng diện có thể coi trạm viễn thông là modem vô tuyến phức tạp nhận tín hiệu vô tuyến đƣờng lên từ thiết bị di động (MS) rồi biến đổi nó thành dữ liệu để truyền đi đến các máy khác trong mạng GSM, và nhận dữ liệu từ mạng GSM rồi biến đổi nó thành tín hiệu vô tuyến phát đến MS. Các trạm viễn thông tạo nên vùng phủ sóng, vị trí của chúng quyết định dung lƣợng và vùng phủ của mạng. Tuy nhiên trạm viễn thông chỉ đóng vai trò phụ trong việc phân phối tài nguyên vô tuyến cho các MS khác nhau. Hình 1.1 Hoạt động tổng quan trong trạm viễn thông. Một số thành phần chính của trạm phát sóng viễn thông nói chung : - Tủ BTS tủ chứa đựng các thiết bị điện tử trong nhà trạm viễn thông, tủ BTS phụ thuộc vào nhà cung cấp và công nghệ sử dụng. HVTH : Bùi Kim Cường Trang 2
- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh - Tủ Rectifier thƣờng đi kèm với nhà cung cấp tủ BTS, về cơ bản hiểu là chuyển dòng điện xoay chiều sang một chiều. - Hệ thống máy lạnh : đảm bảo nhiệt độ hoạt động của các thiết bị điện tử. - Hệ thống bảo vệ chống sét và nối đất : bảo vệ trạm viễn thông chống khỏi sét đánh trực tiếp hay gián tiếp. - Hệ thống đèn tƣờng và đèn khẩn cấp : hoạt động khi cúp điện, giúp kĩ sƣ thao tác. - Hệ thống báo cháy và hệ thống bình chữa cháy. - Hệ thống tủ phân phối điện. - Tháp antenna : dùng để đặt antenna thu phát sóng viễn thông. - Hệ thống feeder : cơ bản truyền sóng từ tủ BTS lên antenna phát sóng. - Hệ thống DDF : thƣờng gọi là rack DDF dùng để lắp các thiết bị tryền dẫn. Tất cả các yếu tố trên kết hợp với nhau tạo thành một trạm viễn thông hoàn chỉnh. Hình 1.2 Tổng quan chung nhà trạm viễn thông HVTH : Bùi Kim Cường Trang 3
- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh 1.2. TỔNG QUAN VỀ SÉT Sét (hay còn gọi là sự phóng điện dông) là một nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất xảy ra trong tự nhiên, nó thƣờng 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 nƣớc bay lên đến một độ cao nào đấy và nguội dần, lúc đó hơi nƣớc tạo thành những giọt nƣớc nhỏ hay gọi là tinh thể băng chúng tích tụ trong không gian dƣới 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 mƣa. 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 lƣợng lớn nên nằm dƣới đáy đám mây còn các phần tử điện tích dƣơng nhẹ hơn nên bị đẩy lên phần trên của đám mây. Hình 1.3 Phân bố điện tích khi có đám mây dông Nhƣ vậy trong bản thân đám mây đã hình thành một điện trƣờng cục bộ của một lƣỡng cực điện và dƣới tác dụng của điện trƣờng cục bộ này các phần tử sẽ di chuyển nhanh hơn, điện tích đƣợc tạo ra nhiều hơn và điện trƣờng càng mạnh hơn. Quá trình HVTH : Bùi Kim Cường Trang 4
- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh này tiếp diễn cho đến lúc điện trƣờng 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 dƣới đám mây thƣờng có một lớp điện tích dƣơng gọi là điện tích không gian vì vậy giữa phần đáy đám mây mang điện âm và lớp điện tích dƣơng này lại hình thành một điện trƣờng riêng và chính điện trƣờng này làm phát sinh một tia sét ban đầu gọi là dòng tiên đạo di chuyển xuống đất. Trong quá trình phát triển xuống đất, dòng tiên đạo mang theo một điện thế rất lớn sẽ ion hóa lớp không khí trên đƣờng đi của nó, nơi nào có cách điện không khí yếu thì dòng tiên đạo sẽ phát triển về hƣớng đó vì vậy ta thấy dòng tia sét đi xuống không phải là đƣờng thẳng mà thƣờng có dạng ngoằn ngoèo, phân nhánh. Ngoài ra do hiệu ứng cảm ứng điện nên phần mặt đất nằm bên dƣới đám mây dông sẽ mang một lƣợng điện dƣơng. Lƣợng điện này sẽ phân bố trên các vật có khả năng dẫn điện nhƣ 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 trƣờng 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 trƣờng 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 đƣợc 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 20.0000C và do đó ta thấy nó sáng chói lên (cũng đƣợc gọi là chớp). Dƣới 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 trƣớc rồi sau đó một lúc mới nghe thấy tiếng sấm. Để rõ hơn quá trình phóng điện sét đƣợc chia làm ba giai đoạn chủ yếu nhƣ sau : Giai đoạn phóng tia tiên đạo (hình 1.4) Ban đầu xuất phát từ mây giông một tia tiên đạo mờ, phát triển thành từng đợt gián đoạn về phía mặt đất, với tốc độ trung bình khoảng 105 - 106m/s. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện khoảng 1013 – 1014 ion/m3, một phần diện tích âm của mây giông tràn vào kênh và phân bố tƣơng 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 ngƣng phát triển giữa hai đợt khoảng 30 - 90μs. HVTH : Bùi Kim Cường Trang 5
- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình.1.4 Giai đoạn phóng tia tiên đạo Đƣờng đi của tiên đạo trong thời gian này không phụ thuộc vào tình trạng mặt đất và các vật trên mặt đất, do đó nó gần nhƣ hƣớng thẳng về phía mặt đất. Cho đến khi tia tiên đạo đạt đến độ cao định hƣớng thì mới bị ảnh hƣởng bởi các vùng điện tích tập trung dƣới mặt đất. Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa Dƣới tác dụng của điện trƣờng 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 dƣới đám mây giông. Nếu vùng đất phía dƣới có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích tập trung sẽ nằm trực tiếp dƣới kênh tiên đạo, nếu vùng đất phía dƣới có điện dẫn khác nhau thì điện tích chủ yếu tập trung ở vùng kế cận nơi có điện dẫn cao nhƣ vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nƣớc ngầm, kết cấu kim loại các tòa nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ƣớt trong mƣa Chính các vùng điện tích tập trung này sẽ định hƣớng hƣớng phát triển của tiên đạo hƣớng xuống dƣới khi nó đạt đến độ cao định hƣớng, tia tiên đạo sẽ phát triển theo hƣớng có điện trƣờng lớn nhất. Do đó các vùng tập trung điện tích sẽ là nơi sét đánh vào. Ở những vật dẫn có độ cao nhƣ nhà cao tầng, cột angten các đài phát thì từ đỉnh của nó nơi các điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện dòng tiên đạo phát triển hƣớng lên đám mây giông. Chiều dài của kênh tiên đạo từ dƣới này tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện sễ dàng cho sự định hƣớng của sét vào vật dẫn đó. HVTH : Bùi Kim Cường Trang 6
- Luận Văn Thạc Sĩ GVHD : PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 1.5 Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt. Ngƣời 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 đƣợc nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hƣớng sét đánh vào đó mà không phóng vào công trình. Khi tia tiên đạo hƣớng xuống gần mặt đất hay tia tiên đạo hƣớng lên, thì khoảng cách khí ở giữa do cƣờng độ điện trƣờng tăng cao gây lên ion hóa mãnh liệt, dẫn đến sự hình thành một dòng plasma có mật độ điện tích cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần. Giai đoạn phóng điện ngược : Do điện dẫn của nó tăng cao nhƣ vậy nên điện tích cảm ứng tràn vào dòng ngƣợc mang điện thế của đất làm cho cƣờng độ điện trƣờng đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ nhƣ vậy dòng plasma điện dẫn cao 1016 - 1019 ion/m3 tiếp tục phát triển ngƣợc lên trên theo đƣờng dọn sẵn bởi kênh tiên đạo. Đây là sự phón điện ngƣợc hay phóng điện chủ yếu. Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt cho nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói (hay còn gọi là tia chớp). HVTH : Bùi Kim Cường Trang 7