Nghiên cứu giải pháp chống sét trong trạm viễn thông

Nội dung text: Nghiên cứu giải pháp chống sét trong trạm viễn thông

1. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT TRONG TRẠM VIỄN THÔNG PGS.TS Quyền Huy Ánh, Bùi Kim Cường Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu một trạm viễn thông điển hình được mô hình hóa và mô phỏng bằng phần mềm ATP-EMTP, nơi được giả định mật độ sét thường xuyên xảy ra nhằm mục đích xác định ảnh hưởng của sét đánh trực tiếp lên đường dây trên không 22kV và cột tháp vô tuyến cũng như ảnh hưởng của xung sét cảm ứng xảy ra gần khu vực nhà trạm. Từ đó giúp đánh giá hiệu quả vị trí lắp đặt của các chống sét vanvà cách thức lựa chọn chúng cũng như đề ra giải pháp bảo vệ cho phù hợp, nâng cao tính ổn định và chất lượng cung cấp dịch vụ trong nhà trạm viễn thông. ABSTRACT This paper studies a typical telecommunication station is modeled and simulated using ATP-EMTP software, where the density is assumed to frequent lightning aimed to determine the effect of direct lightning strikes to the 22kV overhead lines and radio towers as well as the effects of lightning induced pulses occur near the station area.This helps to evaluate the effectiveness of the installation location of the lightning and the way they choose, as well as proposed solutions appropriate to protect and improve the stability and quality of service in telecommunications. 1. Giới thiệu cung cấp đến khách hàng. Chất lượng nối đất cũng là vấn đề cần được quan tâm. Tác hại của sét là rất lớn, bao gồm tác hại do sét đánh trực tiếp, tác hại gián tiếp do cảm 2. Trạm viễn thông điển hình ứng tĩnh điện từ. Sự phá hủy của hầu hết các tia sét đánh trực tiếp rất rõ ràng, không Một trạm viễn thông điển hình được thể những ảnh hưởng đến vật chất mà còn gây hiện qua hình 1 [1]. Trạm bao gồm một thiệt hại đến tính mạng con người. Do tốc độ tuyến dây phân phối cấp điện áp 22kV đi phát triển của nền kinh tế đất nước, thông tin trên không, đưa đến cuộn dây sơ cấp của liên lạc đóng một vai trò hết sức quan trọng, máy biến áp 100kVA đấu tam giác-sao các trạm viễn thông không ngừng được nâng 22kV/380V. Đầu ra thứ cấp của máy biến áp cấp và xây dựng thêm. Để dễ thu phát sóng đưa đến tủ phân phối cung cấp nguồn cho nên các nhà trạm viễn thông thông thường nhà trạm chính thông qua việc đi dây cáp được xây dựng ở những điểm có vị trí cao, ngầm được chôn dưới đất. Ở tủ phân phối sẽ nơi có mật độ của sét xảy ra thường xuyên là cung cấp các cấp điện áp khác nhau và phân rất lớn, bên cạnh đó trong trạm viễn thông, nhánh để đưa mức điện áp phù hợp đến các phần lớn các thiết bị truyền dữ liệu được chế thiết bị trong trạm chính như thiết bị chiếu tạo dựa trên công nghệ mạch tích hợp và vi sáng, tủ BTS, đèn báo máy bay trên không xử lý, các thiết bị này đặc biệt nhạy cảm với Cột tháp vô tuyến được đặt gần bên nhà trạm xung sét. Thực tế việc đảm bảo tính an toàn chính, đối với việc cung cấp nguồn cho đèn và hoạt động ổn định của trạm viễn thông là cảnh báo máy bay, dây thu nhận tín hiệu một trong những lợi ích cốt yếu chính liên sóng vô tuyến từ trạm đến cột tháp được bố quan đến chất lượng dịch vụ của nhà trạm trí đi theo trên máng. Khu vực giới hạn xung quanh nhà trạm chính được bao bọc bởi các hàng rào che chắn bằng sắt.
2. vào tháp được nối đất, nhưng là vẫn còn tùy thuộc vào sức mạnh của điện từ trường, do có thêm thiết bị bảo vệ xung sét nên LPZ1 và LPZ2 được hình thành. Hình 1. Trạm viễn thông điển hình Các trạm thu phát sóng thông thường Hình 2. Sơ đồ bố trí và phân vùng nhà trạm được bố trí ở những nơi cao nên mật độ xảy ra hiện tượng sét đánh là thường xuyên. Dựa Hệ thống nối đất trong nhà trạm đóng một vào cấu trúc nhà trạm đã đề ra, để đảm bảo vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế cũng các thiết bị viễn thông trong trạm được hoạt như việc bảo vệ các thiết bị trong trạm [7]. động ổn định khi có hiện tượng dông sét xảy Đối với nhà trạm phải được trang bị một ra trong khu vực, những vấn đề được đưa ra mạng liên kết chung CBN (Common khảo sát như sau : Bonding Network) tức là một tập hợp tất cả các phần tử kim loại (kể cả hàng rào, vỏ tủ •Ảnh hưởng của sét đánh trực tiếp vào kim loại .) được liên kết với nhau theo một đường dây trên không 22kV đến trạm viễn chủ định để tạo thành một mạng liên kết thông. chính ở bên trong trạm viễn thông.Thành phần cáp quang phải có thành phần kim loại •Ảnh hưởng của sét đánh trực tiếp vào cột bao quanh dọc theo chiều dài của dây cáp, kể tháp vô tuyến đến trạm viễn thông. cả các chổ nối và các bộ tái tạo, các thành phần kim loại này nối với hệ thống tiếp đất •Ảnh hưởng xung sét cảm ứng gây ra trên chung của tòa nhà. đường dây 22kV đến trạm viễn thông. Hệ thống tiếp đất chung được liên kết với Việc tìm hiểu và lựa chọn thiết bị bảo vệ nhau bởi những thanh kim loại bố trí theo xung sét được tham khảo trong [2] và [3], dạng ô lưới sau đó nối đến một cọc chôn sâu một chống sét van (SPD) được bố trí tại đầu dưới đất với điện trở yêu cầu không được lớn sơ cấp máy biến áp, tiếp sau đó nhằm giảm hơn 10Ω. thiểu thêm mức độ nguy hiểm của dòng xung sét đi vào các thiết bị trong nhà trạm một 3. Mô hình hóa và mô phỏng trong thiết bị bảo vệ xung sét thứ hai được thêm chương trình ATP-EMTP. vào bên trong tủ phân phối chính. Do mức a. Mô hình máy phát xung sét và chống độ ảnh hưởng của sét đánh trực tiếp lên cột sét van. tháp vô tuyến là rất lớn, một thiết bị bảo vệ xung sét được lắp đặt tại nơi cung cấp nguồn Mô hình máy phát xung sét chuẩn,chống điện cho đèn báo máy bay trên không là cần sét van được tham khảo từ [2], [6] và mô thiết. hình thể hiện trong hình 3, kết quả mô phỏng thể hiện trong hình 4. Theo nguyên tắc phân vùng bảo vệ [7] và cách thức bảo vệ,lắp sốthiết bị bảo vệ xung sét sẽ quyết định các vùng bảo vệ chống sét, việc phân vùng bảo vệ cho trạm viễn thông cũng được thể hiện quahình 2. Dây trên không 22kV bị ảnh hưởng bởi sét đánh trực tiếp nên xem là LPZ 0 , dây cáp cung cấp A nguồn cho các đèn báo máy bay LPZ 0B bởi vì nó được bảo vệ từ sét đánh trực tiếp của Hình 3. Mô hình chống sét van
3. Hình 7. Điện áp ngỏ ra máy biến áp khi Hình 4.Đường đặc tính V-I chống sét van mang tải 100Ω trung áp Cooper-15kV-40kA. c. Mô phỏng sét đánh trực tiếp đường b. Mô hình máy biến áp. dây trên không 22kV trong trạm viễn thông. Máy biến áp được sử dụng là máy biến áp phân phối 100kVA với cuộn dây sơ cấp đấu tam Môt xung sét 30kA dạng sóng T1/T2 = giác mức áp 22kV và cuộn dây thứ cấp nối sao 5,5/75µS được áp dụng để khảo sát sét đánh mức áp 380V có dây trung tính trực tiếp nối đất trực tiếp lên đường dây 22kV. Để đánh giá và đây là nguồn cung cấp chính cho toàn bộ hệ hiệu quả của sự hiện diện thiết bị bảo vệ thống trạm viễn thông.Từ việc tham khảo [4] xung sét đối với từng vị trí trong nhà trạm, một mô hình máy biến áp thay thế được thể hiện quá trình mô phỏng phải được thực hiện trong hình 5. trong từng trường hợp với sự có mặt một chống sét van đầu sơ cấp máy biến áp, chống sét van thêm vào ở tủ phân phối chính và chống sét van được thêm cho nguồn cung cấp đèn báo máy bay trên không. Sơ đồ mạch tương đương được thể hiện trong hình Hình 5. Mô hình mô phỏng máy biến áp 8 và kết quả mô phỏng được thể hiện qua hình 9 đến hình 11. Từ các kết quả mô phỏng Mô hình máy biến áp được kiểm nghiệm ta được bảng tóm tắt 1. dưới dạng không mang tải và có mang tải, ngỏ vào trong cả hai trường hợp đều là một xung sét áp 1000V với dạng T1/T2 = 1,2/50µS. Kết quả đo điện áp ngõ vào, điện áp ngõ ra được thể hiện trong hình 6 và hình 7. Hình 8. Sơ đồ mạch nhà trạm viễn thôngtương đương trong ATP Trong đó : MOV_1 : chống sét van trung áp Cooper-15kV-40kA. R5, L5 là trở kháng và cảm kháng của đường dây cáp ngầm 380V từ đầu thứ cấp máy biến áp đến tủ phân phối chính. (R5 = 0,0042Ω, L5= 0,004mH). MOV_2 : chống sét van hạ áp EPCOS- SIOV-B80K275. Rtải là tổng điện trở của Hình 6. Điện áp đầu vào máy biến áp các thiết bị trong trạm viễn thông, đèn chiếu sáng, (Rtải = 100Ω). R7, L7 là điện trở và điện kháng của đường dây nối đèn báo trên không (R7 = 0,0013, L7 = 0,008mH). MOV_2 : chống sét van hạ áp EPCOS- SIOV-B80K275. R9 là điện trở của đèn báo
4. máy bay trên không loại 220V/60W (R9 = d. Mô phỏng xung sét cảm ứng đường 806,6Ω).R10, L10 là điện trở và điện kháng dây trên không 22kV. của hệ thống tiếp đất chung (R10 = 10 Ω, L10 = 0,005mH). Trong các trường hợp thì ảnh hưởng của xung sét cảm ứng đến nhà trạm là bé nhất. Các thông số và sơ đồ mạch tương đương như trong sơ đồ mạch khảo sát ở phần sét đánh trực tiếp lên đường dây 22kV, nhưng lúc này là xung sét cảm ứng xảy ra ở khu vực gần đường dây trên không với xung sét cảm ứng 3kA. Kết quả mô phỏng được thể hiện qua hình 12và hình 13. Tóm tắt kết quảthể hiện trong bảng 2. Hình 9. Dòng qua SPD sơ cấp máy biến áp đi xuống đất Hình 10. Điện áp qua tải khi lắp 3 SPD Hình 12.Dòng qua SPD sơ cấp biến áp xuống đất Hình 11.Dòng điện đi qua đèn báo máy bay BẢNG 1. BẢNG TÓM TẮT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP TRÊN ĐƯỜNG DÂY 22KV. Hình 13.Dòng qua đèn báo máy bay trên không Lắp 1 SPD Lắp thêm Lắp đặt 3 sơ cấp biến SPD tủ phân SPD BẢNG 2. BẢNG TÓM TẮT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG áp phối XUNG SÉT CẢM ỨNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY 22KV. Điện áp tại tải 13 1,04 0,63 Lắp 1 SPD ở Lắp thêm (kV) Lắp đặt 3 sơ cấp biến SPD tủ phân SPD áp phối Dòng điện qua 130,4 10,4 6,53 tải (A) Điện áp tại tải 2,056 0,678 0,54 (kV) Dòng điện xuống hệ 146,6 307 502 Dòng điện qua 21,3 6,8 5,93 thống tiếp đất tải (A) tòa nhà (A) Dòng điện Dòng điện qua xuống hệ đèn báo trên 16,16 1,29 0,8 24 33,2 38,6 thống tiếp đất không (A) tòa nhà (A)
5. Dòng điện qua đèn báo trên 2,64 0,83 0,72 không (A) e. Mô phỏng sét đánh trực tiếp cột tháp vô tuyến Cột tháp viễn thông đặt trong trạm cao 40m do đó sét đánh trực tiếp lên là khó tránh khỏi,đây là trường hợp gây nên ảnh hưởng lớn nhất đến thiết bị trong nhà trạm.Với dạng xung sét đánh trực tiếp vào kim thu lôi của Hình 17. Dòng qua đèn báo máy bay trên cột tháp tương tự như dạng xung sét trực tiếp không trên đường dây 22kV, thông qua dây dẫn xung sét sẽ được đưa xuống hệ thống tiếp đất Lắp SPDsơ Lắp đặt 3 chung của toàn bộ tòa nhà. cấp biến áp và SPD tủ phân phối Điện áp tại 5,341 3,97 tải (kV) Dòng điện 51,41 36,7 qua tải (A) Dòng điện xuống hệ Hình 14. Mô hình mô phỏng sét đánh trực 2,09 2,309 tiếp lên cột tháp vô tuyến thống tiếp đất tòa nhà (KA) Dòng điện qua đèn báo 6,6 1,3 trên không (A) 4. Kết luận Bài báo đã nghiên cứu một trạm viễn thông điển hình, nơi chịu ảnh hưởng của hiện tượng quá điện áp khí quyển bằng chương Hình 15. Dòng điện xuống hệ tiếp đất chung trình phần mềm ATP-EMTP, các kết quả mô phỏng được thể hiện trong bài và từ đó sẽ giúp đánh giá được mức độ ảnh hưởng của xung sét đến các thiết bị trong nhà trạm viễn thông, nhằm đưa ra những giải pháp lắp đặt và lựa chọn thiết bị bảo vệ xung sét cho phù hợp. Từ bảng tóm tắt kết quả mô phỏng trong 3 trường hợp cho thấy sét đánh trực tiếp lên cột tháp vô tuyến có tầm ảnh hưởng là lớn Hình 16. Điện áp qua tải khi lắp 3 SPD nhất, việc lắp đặt thiết bị bảo vệ xung sét tại nguồn đèn báo máy bay là cần thiết. Mô hình hóa và mô phỏng máy phát dạng xung sét dòng, xung sét áp, các thiết bị chống sét van trung áp và hạ áp cho thấy có sai số rất bé so với sai số cho phép chống sét van là 10% nên phần mềm ATP-EMTP đáp ứng yêu cầu
6. đặt ra.Cách thức tiếp đất trong nhà trạm cũng [4] Lightning induce overvoltages in là yếu tố cần phải được quan tâm. medium voltage distribution systems and customer experienced voltage spikes. Tài liệu tham khảo Doctoral Dissertation - Doctoral Dissertation. [1] Surge protection of low voltage power [5] Protection of structures against lightning: systems for cellular telecommunications sites Part 1: General principles, IEC Standard - Andreas Beutel, Student Member, IEEE, 61024-1, 1990. and John Van Coller, Member, IEEE. [6] Nghiên cứu ảnh hưởng của sét đanh trực [2] Metal-oxide varistor: a new way to tiếp lên mạng công trình, Trường Đại Học suppress transients - by J. D. Harnden Jr. and Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM- PGS. TS Quyền F.D. Martzloff Corporate Research and Huy Ánh, Nguyễn Đức Tuấn, Development, General Electric Coand W.G. Morris and F. B. Golden Semiconductor [7] TCN 68-174 : 2006, Quy phạm chống sét Products Department, General Electric Co. và tiếp đất cho các công trình viễn thông. [3] Protection againt LEMP: Part 3: Requirements of surge protective devices (SPDs), IEC Standard 61312-3, 1994.
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.