Thiết bị chống sét đánh trực tiếp sử dụng công nghệ phân tán năng lượng sét (DAS)
Chống sét đánh trực tiếp bảo vệ các công trình trên mặt đất là rất quan trọng trong công tác chống sét nói chung và chống sét cho các công trình Viễn thông nói riêng. Chúng ta đã quen thuộc với hệ thống chống sét đánh trực tiếp dùng kim Franklin cổ điển, kim thu sét phát xạ sớm (ESE), trong bài báo này chúng tôi giới thiệu hệ thống chống sét đánh trực tiếp sử dụng công nghệ phân tán năng lượng sét hay còn gọi là hệ thống chuyển dịch điện tích (charge transfer system).
Hệ thống phân tán năng lượng sét sẽ ngăn cản sét đánh xuống khu vực bảo vệ của hệ thống do đó không gây ra các ảnh hưởng thứ cấp đến các công trình Viễn thông ở gần so với các hệ thống Franklin và phát xạ sớm.
Tóm tắt:
Chống sét đánh trực tiếp bảo vệ các công trình trên mặt đất là rất quan trọng trong công tác chống sét nói chung và chống sét cho các công trình Viễn thông nói riêng. Chúng ta đã quen thuộc với hệ thống chống sét đánh trực tiếp dùng kim Franklin cổ điển, kim thu sét phát xạ sớm (ESE), trong bài báo này chúng tôi giới thiệu hệ thống chống sét đánh trực tiếp sử dụng công nghệ phân tán năng lượng sét hay còn gọi là hệ thống chuyển dịch điện tích (charge transfer system). Hệ thống phân tán năng lượng sét sẽ ngăn cản sét đánh xuống khu vực bảo vệ của hệ thống do đó không gây ra các ảnh hưởng thứ cấp đến các công trình Viễn thông ở gần so với các hệ thống Franklin và phát xạ sớm.
I. Nguyên lý hình thành sét
Sét (hay còn gọi là sự phóng điện dông) là một nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất xảy ra trong tự nhiên. 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.
Nguyên lý corona là hiện tượng dây dẫn bằng kim loại nhọn được nối đất đặt trong khu vực có điện trường mạnh sẽ có hiện tượng các điện tích bị bứt ra ngoại không gian từ điểm nhọn của dây dẫn kim loại được nối đất.
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 3.106 V/m) ở đó xảy ra sự đánh xuyên hay sét tiên đạo.
Quá trình tiên đạo được hình thành từng bước từ đám mây hướng xuống mặt đất. Đồng thời khu vực bên dưới đám mây sẽ có hiện tượng tiên đạo ngược từ các vật bằng kim loại nhọn được nối đất do hiện tượng corona tạo ra. Tiên đạo đi xuống và tiên đạo đi lên sẽ gặp nhau sẽ kết thúc quá trình tiên đạo. Tia tiên đạo chính là kênh dẫn điện tích từ đám mây xuống mặt đất hoặc từ mặt đất lên đám mây.
II. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị phân tán năng lượng sét
Hệ thống phân tán năng lượng sét - DAS do LEC (Mỹ) nghiên cứu chế tạo, nhằm ngăn ngừa sự hình thành tia sét. Khác với các hệ thống chống sét đánh trực tiếp dùng điện cực Franklin hay điện cực phát tiên đạo sớm (ESE), hệ thống này thực hiện bằng cách liên tục giảm chênh lệch hiệu điện thế giữa mặt đất và đám mây dông tích điện xuống dưới mức khả năng xuất hiện tiên đạo sét (không có tiên đạo từ mặt đất đi lên) do đó không xảy ra sét.
Hệ thống DAS hoạt động theo nguyên lý phóng điện điểm dựa trên hiện tượng corona, với hàng nghìn điểm nhọn bằng kim loại tạo ra ion bên trên hệ thống và ngăn ngừa sự hình thành tiên đạo sét.
Hệ thống liên tục dẫn điện tích cảm ứng trên bề mặt đất lên các đầu kim loại nhọn để tạo ion vào khoảng không bên trên và tạo ra một không gian tích điện che chắn giữa đám mây dông và công trình cần bảo vệ.
Nhờ có không gian tích điện bên trên mà cường độ điện trường cục bộ bên dưới được giảm xuống dẫn đến ngăn ngừa hiện tượng tiên đạo do đó không gây ra sét đánh vào công trình trong phạm vi bảo vệ của hệ thống phân tán năng lượng.
Hệ thống DAS bao gồm các bộ phận như sau:
+ Bộ tạo ion (Ionizer);
+ Bộ tập trung điện tích trong đất - GCC (Ground charge collector);
+ Dây dẫn điện tích (Interconnecting charge conductor).
Bộ tạo ion: Bộ tạo ion trong hệ thống DAS dựa trên nguyên lý “phóng điện điểm”. Bộ tạo Ion được chế tạo bằng vật liệu đặc biệt có hành nghìn điểm nhọn.
Bộ tập trung điện tích trong đất: Bộ tập trung điện tích trong đất (GCC) thường làm bằng dây đồng chôn ở độ sâu khoảng 25 cm và các thanh sắt tiếp đất cách nhau khoảng 10 m. Các tiếp đất, có thể dùng các điện cực tiếp đất hoá học (chem. Rod), phải bảo đảm thu hút hết các điện tích xuất hiện trên mặt đất bị nhiễm điện do các đám mây dông tích điện tạo ra. Khi các điện tích dịch chuyển vào vùng được bảo vệ, nó được bộ tập trung điện tích dẫn lên bộ tạo ion bằng một dây dẫn qua vùng được bảo vệ. Như vậy khu vực được bảo vệ có điện thế thấp hơn các vùng xung quanh.
Dây dẫn điện tích - ICC: Dây dẫn điện tích - ICC phải bảo đảm có điện trở thấp để dẫn các điện tích từ GCC đến bộ tạo ion. Dây dẫn điện tích trong hệ thống phân tán năng lượng sét DAS khác với dây thoát sét trong hệ thống thu lôi Franklin hay phát xạ sớm là để dẫn dòng điện có cường độ thấp do sự chuyển dịch các điện tích bị nhiễm điện trong đất lên bộ tạo ion bằng con đường ngắn nhất.
Trên hình 2 trình bày nguyên lý chống sét kiểu phân tán năng lượng sét.
III. Sử dụng thiết bị phân tán năng lượng sét cho các công trình Viễn thông
Thiết bị viễn thông là loại thiết bị điện tử rất nhạy cảm với các ảnh hưởng của dòng điện và điện áp ngoài tác động trong khi đó tác động của dòng điện sét và điện áp của nó gây ra rất lớn.
Việc chống sét đánh trực tiếp rất quan trọng vì nó hạn chế ảnh hưởng của dòng sét đến các công trình Viễn thông và tác tác động động thứ cấp do dòng sét gây ra. Hệ thống phân tán năng lượng sét ngăn cản sét đánh vào công trình mà hệ thống bảo vệ nên rất phù hợp với các công trình Viễn thông.
Đối với 2 hệ thống chống sét đánh trực tiếp khác là Franklin và phát tiên đạo sớm sẽ có dòng sét chảy trên hệ thống cáp thoát sét và có thể có 1 phần dòng sét chảy trên các công trình viễn thông như cáp feeder, cầu cáp ... dẫn vào thiết bị. Đồng thời khi dòng sét chảy trên cáp thoát sét sẽ gây ra ảnh hưởng thứ cấp (cảm ứng) sang cáp thông tin, vỏ thiết bị v.v. Dòng sét chảy vào hệ thống tiếp đất sẽ gây ra tăng điện thế đất và sẽ gây mất cân bằng điện thế đất của trạm Viễn thông nếu hệ thống tiếp đất không được liên kết đẳng thế tốt.
Như vậy khi sử dụng hệ thống Franklin hoặc phát tiên đạo sớm sẽ luôn có các ảnh hưởng của dòng sét đến các thiết bị viễn thông và nguy cơ gây ra hư hỏng cho thiết bị là lớn.
Khi sử dụng hệ thống phân tán năng lượng sét sẽ không có dòng sét tác động vào công trình và các ảnh hưởng thứ cấp cũng không có vì vậy công trình sẽ được bảo vệ an toàn hơn.
Các công trình Viễn thông có 2 dạng là dạng tuyến và dạng điểm, việc sử dụng thiết bị phân tán năng lượng sét cho các công trình dạng tuyến chẳng hạn như tuyến cáp thông tin treo, đường điện cung cấp nguồn cho trạm v.v. là không hợp lý vì giá thành của hệ thống phân tán năng lượng sét còn cao.
Việc sử dụng thiết bị phân tán năng lượng sét phù hợp nhất là cho các công trình dạng điểm là các trung tâm viễn thông có cột anten, khi đó hệ thống phân tán năng lượng sét sẽ được lắp đặt trên cột và bảo vệ cho cột anten, anten, cáp feeder và các công trình bên dưới.
Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị chống sét loại phấn tán năng lượng sét như thiết bị ALS-100, ALS-1000, ALS-2000, ALS-3000 của hãng Seratech Lightning Protection, hoặc hệ thống DAS, SBT, SBI của Lightning Eliminator & Consultants v.v. Việc đo kiểm hiệu quả bảo vệ của từng loại thiết bị ở Việt Nam không thực hiện được vì không có phòng thí nghiệm nên chúng ta chỉ có thể thực hiện được bằng cách sử dụng thực tế tại các trạm Viễn thông hay bị sét đánh và đánh giá hiệu quả bảo vệ.
IV. Kết luận
Chống sét đánh trực tiếp, đặc biệt là chống sét bảo vệ các công trình Viễn thông rất quan trọng để tránh ảnh hưởng của dòng sét tác động lên các thiết bị Viễn thông. Hệ thống chống sét đánh trực tiếp phân tán năng lượng sét đã được nghiên cứu chế tạo để ngăn ngừa sét đánh trực tiếp vào công trình được hệ thống bảo vệ.
Việc sử dụng hệ thống phân tán năng lượng sét bảo vệ cho các traung tâm Viễn thông rất tốt vì nó bảo vệ cho công trình và thiết bị khỏi ảnh hưởng trực tiếp của dòng sét và các ảnh hưởng thứ cấp khác.
Hiện nay một số trạm Viễn thông thường xuyên bị sét đánh gây hư hỏng thiết bị đã được lắp đặt hệ thống phân tán năng lượng sét như trạm Long Thành - Đồng Nai, trạm Nhơn Trạch - Đồng Nai, Trạm Ninh Sơn - Ninh Thuận v.v. Kết quả ban đầu cho thấy các trạm này đã hạn chế được rất nhiều sự cố do sét gây ra.
Tuy nhiên đây là hệ thống thiết bị công nghệ mới nên vẫn cần tiếp tục nghiên cứu, sử dụng thực tế trên phạm vi rộng để từ đó đánh giá hiệu quả bảo vệ của từng loại thiết bị chính xác hơn.
----------O-----------
CÔNG TY TNHH KỸ THUẬT THƯƠNG MẠI DỊCH VỤ THIÊN LONG
111/17 Bình Thành, P.Bình Hưng Hòa B, Q.Bình Tân, Tp.HCM
Liên hệ: 0983 224 351 - 0866 858 171
Giải pháp chống sét - Các loại kim thu sét
(Tạp chí BCVT&CNTT)