Hệ Thống Chống Sét – Nguyên lý và sơ đồ hoạt động
I/ SÉT VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA 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.
Trong quá trình tích lũy các điện tích trái dấu, một điện trường có cường độ luôn được gia tăng hình thành xung quanh đám mây. Khi điện thế ở một điểm bất kỳ của đám mây đạt giá trị tới hạn vượt quá ngưỡng 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 còn gọi là sét tiên đạo.
Theo ước tính trong mỗi giây đồng hồ có khoảng một trăm sét đánh xuống mặt đất. Sét gây ra các tai nạn cho con người, phá hoại các công trình xây dựng, năng lượng điện, hàng không, thiết bị điện tử, các đài, trạm quan sát tự động, các hệ thống thông tin liên lạc, trạm viễn thông,.v.v.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kỹ thuật hiện đại thì sự phá hoại của sét ngày càng tăng.
Theo báo cáo và khảo sát thống kê các hư hỏng do sét gây ra đối với các công trình viễn thông là cực kỳ nghiêm trọng : làm chết và bị thương hàng trăm người, phá hỏng hàng chục máy biến áp (trong đó có trên 11 trạm biến áp có công suất từ 100kA đến 180kA), gây hư hỏng nghiêm trọng cho hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn…
Các đặc điểm cơ bản của sét:
-Trị số điện tích mang.
-Dòng điện trong kênh sét.
-Số sét lặp lại trong một kênh sét.
-Cường độ hoạt động của dông sét.
II/ CÁC DẠNG TÁC ĐỘNG CỦA SÉT ĐẾN THIẾT BỊ ĐIỆN NHẠY CẢM
1. Các dạng tác động
Các thiết bị điện tử nhạy cảm trong quá trình sử dụng chịu các dạng tác
động chính như sau:
Các thiết bị điện tử nhạy cảm trong quá trình sử dụng chịu các dạng tácđộng chính như sau:
-Tác động tĩnh điện
Tác động tĩnh điện của sét đến các thiết bị liên quan đến sự ảnh hưởng của trường điện ở giai đoạn trước lúc xảy ra sét., giai đoạn tiên đạo, giai đoạn sét chưa kết thúc hoặc sét giữa các đám mây.
-Tác động điện từ
Tác động điện từ của sét có liên quan đến ảnh hưởng cảm ứng của dòng điện kênh sét khi các thiết bị nầy ở gần vùng ảnh hưởng ở khoảng cách tương ứng với chiều dài của kênh sét hoặc ảnh hưởng của các xung điện từ.
-Tác động của dòng sét
Tác động của dòng sét liên quan đến sét đánh trực tiếp các công trình xây dựng hoặc gần các công trình đó.
-Tác động Galvanic
Tác động Galvanic có liên quan đến dòng sét chảy trong đất và đồng thời một bộ phận của dòng sét rẽ nhánh đi vào thiết bị thông qua hệ thống tiếp đất.
-Tác động thứ cấp ( tạp âm thứ cấp)
Tác động thứ cấp có liên quan đến ảnh hưởng của tạp âm điện từ lên các mạch thứ cấp của thiết bị ( viễn thông ) mà nguồn tạp âm là từ các mạch sơ cấp chịu ảnh hưởng trực tiếp của một trong các dạng tác động đã nêu.
2 . Các con đường chính sét xâm nhập vào thiết bị
– Sét đánh thẳng vào công trình.
– Sét xâm nhập qua thiết bị anten.
-Sét xâm nhập qua các đường dây treo nổi.
-Sét xâm nhập qua đường cáp đặt ngầm.
-Sét xâm nhập qua cáp nối giữa các thiết bị.
-Sét xâm nhập qua các mạch cung cấp điện cho thiết bị viễn thông.
-Sét xâm nhập qua hệ thống tiếp đất và các điểm đấu chung
III/ KỸ THUẬT PHÒNG CHỐNG SÉT
Để chống sét một cách có hiệu quả và toàn diện phải tuân theo giải pháp chống sét bao gồm :
– Chống sét đánh thẳng trực tiếp cho công trình
– Chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn và đường truyền tín hiệu
– Hệ thống tiếp đất có tổng trở thấp và đảm bảo an toàn cao.
A . CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG BẰNG KIM THU SÉT PHÁT TIA TIÊN ĐẠO
Để giảm bớt những rủi ro mà cột thu lôi không đáp ứng được vì sự thụ động của chúng, FRANKLIN FRANCE (Pháp) với nhiều năm nghiên cứu đã trở thành chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực bảo vệ chống sét đánh thẳng bởi một sản phẩm mới, khắc phục tính thụ động của cột thu lôi cổ điển: kim thu sét tạo tia tiên đạo – SAINT ELMO.
1. Cấu tạo
• Đầu thu
Một đầu thu gắn cố định phía trên dùng thu sét và và che chắn cho đầu phát xạ ion ở bên trong. Nó được thiết kế để tạo ra dòng chuyển động không khí xuyên qua đầu phát ion, phân tán các ion này ra không gian xung quanh, tạo môi trường thuận lợi để kích hoạt sớm sự phóng điện (hiện tượng Corona), hạn chế thiệt hại do sét gây ra.
• Thân kim
Thân kim được làm bằng đồng xử lý hoặc inox, phía trên có một hoặc nhiều đầu nhọn dùng phát xạ ion. Các đầu họn này được nối với bộ phát xạ ion thông qua dây dẫn luồng bên trong ống cách điện.
• Bộ kích thích phát xạ ion
Được làm bằng vật liệu Ceramic áp điện, đặt phía dưới thân kim, trong buồng cách điện, nối với các đầu phát xạ nhờ dây dẫn chịu được điện thế cao. Khi có dông, dưới tác động của một lực, bộ phận này sẽ phát ra các điện tích.
2. Nguyên tắc hoạt động
a – Sự kích thích áp điện
Một sự dao động nhỏ của kim thu sét so với cột đỡ cùng với áp lực được tạo ra trước trong bộ kích thích sẽ sinh ra những áp lực biến đổi ngược nhau. Theo đó, chúng tạo ra điện thế cao tại các đầu nhọn phát xạ ion, sinh ra một lượng lớn ion xung quanh kim thu sét. Những ion này sẽ ion hóa dòng khí quyển xung quanh và phía trên đầu thu nhờ hệ thống lưu chuyển không khí VENTURI ngay đầu thu. Tính lưỡng cực của Vật liệu áp điện tạo cho kim thu sét SAINT-ELMO khả năng hoạt động với cả sét dương và âm.
Một sự dao động nhỏ của kim thu sét so với cột đỡ cùng với áp lực được tạo ra trước trong bộ kích thích sẽ sinh ra những áp lực biến đổi ngược nhau.Theo đó, chúng tạo ra điện thế cao tại các đầu nhọn phát xạ ion, sinh ra một lượng lớn ion xung quanh kim thu sét. Những ion này sẽ ion hóa dòng khíquyển xung quanh và phía trên đầu thu nhờ hệ thống lưu chuyển không khíVENTURI ngay đầu thu. Tính lưỡng cực của Vật liệu áp điện tạo cho kim thusét SAINT-ELMO khả năng hoạt động với cả sét dương và âm.
b- Giảm thời gian kích thích hiệu ứng CORONA và giảm điện áp ngưỡng
Sự tăng cưỡng bức mật độ ion của không khí chung quanh một điện cực đều làm giảm điện áp ngưỡng. Điều này được thực hiện nhờ bộ phát xạ ion. Khả năng này khiến cho nó có tính hiệu quả hơn trong vai trò của điểm thu sớm nhất so với các điểm khác của tòa nhà mà nó bảo vệ.
3. Vùng bảo vệ của đầu thu sét :
Bán kính bảo vệ của đầu kim thu sét phát xạ sớm được xác định bởi tiêu chuẩn Pháp NFC 17-102 (tháng 07/1995).
B . CHỐNG SÉT LAN TRUYỀN
Sự tăng đột biến điện áp trên đường cấp điện có thể gây nguy hiểm cho người và làm gián đoạn công việc do hư hỏng thiết bị. Nó gây ra nhiều phí tổn như: chi phí sữa chữ và thay thế, chi phí để khôi phục lại dữ liệu, sự hao tổn do ngưng hoạt động và mất các cơ hội làm ăn. Ngoài ra, con người có thể bị nguy hiểm do hệ thống thiếu an toàn.
Có nhiều nguyên nhân gây nên quá áp trên hệ thống
-Tác nhân bên ngoài: sét là một trong những nguyên nhân gây quá áp. Sét không nhất thiết phải đánh trực tiếp đến đường năng lượng mới gây nguy hiểm, một sét đánh cách xa vài trăm mét có thể gây ra vùng nguy hiểm rộng lớn, ảnh hưởng ngay cả đến cáp dưới đất.
-Tác nhân bên trong: Hầu hết những quá áp phát ra bên trong hệ thống do việc đóng ngắt các tải điện công suất lớn như hệ thống nhiệt, động cơ v.v… Nó chiếm từ 70 – 80% trong tất cả những sự cố quá áp. Do đó, bảo vệ quá áp là việc cần được lưu tâm và khuyến khích.
Xung quá áp đột biến (Transient overvoltage): Xung quá áp đột biến là sự tăng vọt điện áp trong thời gian ngắn khoảng một phần triệu giây hay một phần ngàn giây và được đo lường giữa hai hoặc nhiều dây dẫn. Điện áp tăng vọt từ vài vôn cho tới hàng ngàn vôn. Điện áp này tồn tại giữa hai hoặc nhiều dây dẫn tức giữa các dây pha/pha, pha/ trung tính, pha/đất, trung tính/đất.
a/ CHỐNG SÉT CÁP ĐỒNG TRỤC AN-TEN PHI ĐƠ
Để chống sét trên cáp đồng trục an-ten phi đơ, ta dùng các thiết bị bảo vệ tần số cao (High frequency protection). Thiết bị này được thiết kế để chống sét và chống nhiễu do các xung cảm ứng điện từ trên cáp đồng trục. Thường tần số sử dụng là HF, VHF, UHF.
Các thiết bị chống sét cho cáp đồng trục thường dùng các kiểu đầu nối N, BNC. Các yêu cầu chính khi chọn lựa thiết bị bảo vệ:
Tương thích về đầu nối.
Chắc chắn về cơ học.
Thỏa mãn về dãi tần số và băng thông. Suy hao xen vào và suy hao phản xạ nhỏ.
Thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật khác.
b/ CHỐNG SÉT CHO MẠNG MÁY TÍNH
Để chống sét cho mạng máy tính, ta cần quan tâm đến kiểu mạng và thiết bị nối mạng, bao gồm:
Kiểu mạng: thông dụng nhất là mạng kết nối hình sao , kết nối hỗn hợp thông qua HUB (thiết bị kết nối và truy xuất mạng).
Kiểu đầu nối cáp mạng : kiểu UTP hay BNC.
Tốc độ truyền dữ liệu của card mạng.
Lưu ý: Để bảo vệ đầy đủ cho mạng máy tính, cần thiết lập nguồn cung cấp duy nhất cho các máy đơn lẻ trong cùng một khu vực và lắp đặt các thiết bị cắt sét nguồn.
c/ CHỐNG SÉT CHO MẠNG TRUYỀN DỮ LIỆU
Kiểu tín hiệu truyền: dạng nguồn áp hay nguồn dòng ( 4 – 20mA)
Kiểu đầu nối : RS232, RS485 v.v..
Các kiểu khác: Token Ring …
d/ CHỐNG SÉT CHO MẠNG ĐIỆN THOẠI , TỔNG ĐÀI PABX
Phụ thuộc số line vào, ta có thể chọn loại bảo vệ đơn hay bảo vệ dãy (các thiết bị KRONE).
e/ CHỐNG SÉT CHO CÁC MẠNG KHÁC
Các hệ thống có thiết bị chuyên dụng để bảo vệ:
Hệ thống báo cháy và camera quan sát.
Hệ thống cân công nghiệp ( dùng Load cell)
Hệ thống điều khiển công nghiệp, SCADA v.v..
