Tiếp đất, chống sét cho thiết bị tín hiệu

Thời gian vừa qua nhiều thiết bị thông tin, tín hiệu đường sắt bị sét đánh hỏng, nhất là các panen điện tử, do điện trở tiếp đất chưa đạt yêu cầu; việc bảo vệ các phần tử điện tử, bán dẫn khỏi sét, khỏi can nhiễu bởi các đường điện cao thế cũng như điện dân dụng đang là vấn đề sôi động tại ĐSVN. Cần có được các giải pháp xác định tính chất, có cơ sở định lượng để giải thích một cách khoa học các nguyên nhân gây ra tổn thất, hỏng thiết bị, làm gián đoạn thông tin ảnh hưởng đến an toàn chạy tàu; tìm ra giải pháp hữu hiệu khắc phục và  phòng ngừa can nhiễu nguy hiểm tái diễn đang là công tác bức thiết đối với chuyên ngành thông tin, tín hiệu ĐSVN.
Ảnh hưởng nguy hiểm đối với người và thiết bị do sét có thể lan truyền qua các con đường:
- Các đường dây trần, cáp truyền tin kể cả chôn và treo do sét đánh trực tiếp hoặc cảm ứng vào đường dây dẫn vào thiết bị;
- Các đường dây hạ áp cung cấp điện cho thiết bị bằng cách đánh trực tiếp vào đường dây dẫn điện hoặc gián tiếp trên đường dây hạ thế khi thiết bị chống sét của đường dây trung hoặc hạ thế không giảm được điện áp đến mức cần thiết;
Đường dây nối giữa các thiết bị với nhau khi đường dây này dài không tự đề phòng ảnh hưởng nguy hiểm từ đường dây truyền dẫn khác sinh ra;
-  Vỏ che chắn của các thiết bị và các điểm đấu chung tiếp đất không đạt yêu cầu cắt sét do cảm ứng điện tĩnh hoặc điện từ trường mạnh gây ra xung điện lớn.
Các thiết bị chống sét cho thiết bị tín hiệu cần đáp ứng các yêu cầu kĩ thuật sau:
- Hoạt động hiệu quả và tin cậy trong mạch nguồn điện khi nguồn điện không ổn định;
- Khả năng tản xung cao, khả năng cắt nhiều xung;
- Tốc độ nhanh, điện áp cắt không quá thấp;
- Có thể lắp đặt song song với nguồn điện để tiêu tán năng lượng sét và tiêu tán năng lượng sung sét;
- Có thể lắp nối tiếp trong mạch điện, giảm tốc độ biến thiên của điện áp sét xuống mức thích hợp và giới hạn điện áp ra ở mức thích hợp với hầu hết thiết bị của hệ thống;
- Có khả năng tích hợp mạch bảo vệ chống sét trên đường nguồn và đường truyền tín hiệu tới thiết bị.
Khi thiết kế cần thiết phải bố trí thiết bị chống sét theo ba cấp bảo vệ: Sơ cấp, thứ cấp và bảo vệ cho đường dây truyền dẫn.
ĐSVN vừa qua đã đưa một số thiết bị chống sét vào các tủ điều khiển tín hiệu tư động phòng vệ đường ngang. Điện trở tiếp đất còn cao (quy định lớn nhất là 10 , khối OSZD (hiệp hội đường sắt các nước XHCN) quy định là 5 ).
Quy định phải lắp đặt hệ thống tiếp đất bảo vệ theo tiêu chuẩn ngành Bưu điện cho các tủ điều khiển, cột đèn tín hiệu, hệ thống cáp.
Phải đặt các bộ chống sét đường truyền để bảo vệ đường truyền tín hiệu vào các bộ PLC hoặc máy tính nhúng như bộ SLP10-K3F; chống sét lan truyền đường điện lực TDS140 – 2S; các bộ chống quá áp EOVR, bộ chống sét hạt nổ 471…và các bộ thiết bị bảo vệ nguồn điện thường dùng khác như các bộ cầu chì bảo an khác.
Chống sét cho các thiết bị tín hiệu có các bộ phận nhạy cảm như phần tử điện tử, phần tử vi xử lý đặt ở ngoài trời là nhiệm cụ cấp bách khi mùa mưa, bão từ đang tới.
Sự tăng điện thế trên giây tiếp đất mà dòng về của dòng điện sức kéo sắp tới gây nên sẽ là nguồn can nhiễu quan trọng đối với tiếp đất của hệ thống tín hiệu.
Cần lưu ý đến các biện pháp chống can nhiễu như hạ thấp trở kháng chung, bộ hấp thụ sóng trào mà trong lĩnh vực chống sét thường gọi là biện pháp giảm điện trở tiếp đất đến mức thấp nhất có thể được để tản năng lượng sét vào trong đất và ngăn chặn các cơ hội sóng sét cảm ứng vào thiết bị là những giải pháp rất tiện ích trong cả hai lĩnh vực chống sét và chống can nhiễu.
Các đường dây truyền dẫn tín hiệu như dây trần, cáp kim loại, cáp quang, cáp tín hiệu khác cũng rất cần thực hiện các biện pháp chống sét. Đó là các giải pháp sau đây:
- Các biện pháp trong kỹ thuật khai thác như việc lắp đặt các thiết bị nhạy cảm (điện tử, bán dẫn…) trong các vùng được bảo vệ của các thu lôi tự nhiên hoặc nhân tạo;
- Các biện pháp trong kết cấu: Sử dụng các kết cấu tối ưu: Đảm bảo chế độ cách điện, che chắn, tiếp đất một cách hợp lý;
- Các biện pháp kỹ thuật mạch: Trong mạch dùng cả hai cấp bảo vệ: Sơ cấp và thứ cấp;
- Có các biện pháp đặc biệt đối với cáp quang vì nó không có dây kim loại dùng cho tín hiệu hoặc cung cấp nguồn nên không thể không có việc đấu nối nội bộ làm giảm ảnh hưởng của sét phải dùng các cáp điện môi hoặc phi kim loại.
Ở ĐSVN: Thiết bị tín hiệu lắp đặt ngoài trời phải chịu nắng mưa và điều kiện khí hậu nhiệt đới biến động phức tạp. Các tủ nguồn điện, đặt các rơ le, linh kiện điện, điện tử rất dễ bị sét đánh hỏng.
Tình hình trở ngại do sét gây nên bởi sóng điện sét tương đối phức tạp, còn sự phòng vệ quá điện áp cho các thiết bị tín hiệu chủ yếu là dùng các linh kiện chống sét có tính năng phòng vệ cao, thiết kế các mạch điện phòng sét có hiệu quả, nâng cao cường độ chịu xung điện áp của bản thân thiết bị tín hiệu và tiếp đất được tin cậy.
Các tác dụng của dòng sét và ảnh hưởng của chúng đến độ ổn định khả năng làm việc của các thiết bị tín hiệu về cơ bản gây ra do các con đường: Các thiết bị ăng ten, các đường dây trần và cáp truyền tin (bao gồm cả cáp treo và cáp chôn), các mạch cung cấp nguồn, các điểm đấu nối tiếp đất hay nói tổng quát là hệ thống tiếp đất (bao gồm cả các vỏ che chắn bằng kim loại của cáp).
Phòng vệ điện áp quá chủ yếu được xem xét từ hai mặt: Một là, điện áp quá của thiết bị hoặc dây dẫn đối với đất, gọi là phòng vệ điện áp quá hướng dọc; một mặt khác là điện áp quá giữa các dây dẫn, gọi là phòng vệ điện áp quá hướng ngang. Việc phòng sét chủ yếu dựa vào sụt áp của linh kiện phòng sét để bảo vệ mạch điện ở cấp sau, khi dùng một cấp phòng vệ để bảo vệ điện sét không đủ, không đạt được yêu cầu thì có thể dùng biện pháp phòng vệ nhiều cấp.
Cùng với sự ứng dụng rất nhiều các linh kiện điện tử và các bộ phận mạch in thì điện áp mà các linh kiện điện tử và bộ phận mạch in đòi hỏi phải phòng vệ càng thấp, do đó cần phải phòng vệ nhiều cấp.
Thực tế đã có nhiều phương án tản năng lượng sét vào trong đất.  Mức điện trở lớn nhất cho tiếp đất chống sét là 10 . Yêu cầu này được thực hiện trước khi nối tiếp đất chống sét với các tiếp đất khác hoặc với gia cường của công trình xây dựng. Người ta mong muốn có một điện trở tiếp đất nhỏ nhất, lý tưởng khi điện trở tiếp đất là 1 .
Điện trở tiếp đất phụ thuộc vào: Điện trở suất của đất; cấu tạo địa chất của đất (đất, đá, đất sét, đất cát); các vật cản trở ví dụ như đường đi, các cây, các hàng rào, tường thành, các cáp hoặc các công trình dịch vụ khác; lưới tiếp đất hiện có có gây ảnh hưởng gì tới tiếp đất của công trình xem xét hay không?
Trạng thái của đất thay đổi theo vùng lãnh thổ, theo mùa nên có thể phải dùng lưới tiếp đất nhiều tia để tản năng lượng sét, dùng các băng dẹt tốt hơn dùng loại tiếp đất hình tròn vì diện tích tiếp xúc với đất cao hơn; dùng nhiều dây ngắn tốt hơn dùng một dây dài; ở vùng điện trở suất của đất thấp nên dùng các điện cực tiếp đất thẳng đứng vì có điện trở tiếp đất xung nhỏ.
Các điện cực tiếp đất phải đảm bảo các yêu cầu sau: Phải có và đạt được điện trở tiếp đất nhỏ, có độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn, có hiệu quả và tuổi thọ lâu dài trong bất kỳ loại môi trường nào; có thể chịu được dòng sét mong muốn. Nếu không đạt được điện trở tiếp đất mong muốn phải xử lý nhân tạo nhằm đạt được mức điện trở đất thấp trong các vùng khó khăn: Dùng tiếp đất hợp chất tăng cường .
Cần phải khử các mạch vòng tiếp đất và chênh lệch thế giữa các tiếp đất. Trong một công trình xây dựng có nhiều cực tiếp đất như: Tiếp đất cho thiết bị viễn thông, tiếp đất cho nguồn cung cấp điện, các ống dẵn nước, dẫn khí kim loại đều có thể coi như một cực tiếp đất  gây nên sự chênh lệch điện thế giữa các tiếp đất với nhau. Cần phải nối cân bằng thế cho tất cả các tiếp đất và các dịch vụ dẫn vào nhà, tạo ra một mặt đất đẳng thế nhằm đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người.
Cân bằng thế cần được thực hiện cho các tiếp đất: Cung cấp điện; tiếp đất thông tin; các ống nước, ống khí bằng kim loại; các cấu trúc thép xây dựng; tiếp đất chống sét. Dây kết nối các tiếp đất phải ngắn nhất và có tiết diện theo đúng quy định. Chú ý đến các mối liên kết tiếp đất sau đây:
- Tiếp đất cung cấp điện phải nối với tiếp đất chống sét: Dây nối có tiết diện ít nhất 6 mm2;
- Tiếp đất thông tin phải nối tiếp đất chống sét hoặc cung cấp điện; cỡ của dây nối ít nhất 4 mm2;
- Các ống cung cấp nước và khí bằng kim loại phải nối tiếp đất chống sét; cỡ dây nối ít nhất là 4 mm2, nếu điện trở tiếp đất của ống nước nhỏ hơn 0,5  thì nên tăng cỡ dây nối lên ít nhất là 16 mm2;
- Cấu trúc thép gia cường xây dựng phải nối với tiếp đất chống sét;
- Tiếp đất chống sét phải nối với tất cả các tiếp đất khác. Nhưng Quy phạm thi công ĐS Trung Quốc năm 1999 quy định:
“Dây đất chống sét của thiết bị tín hiệu không được dùng chung với hệ dây đất của điện lực và thiết bị thông tin.
Dây đất của các hệ tiếp đất chống sét, tiếp đất an toàn và tiếp đất chống nhiễu của cáp tuyệt đối không được dùng chung, vật tiếp đất của 3 loại dây đất này không nên dùng chung. Khi dùng riêng các tổ tiếp đất thì khoảng cách giữa chúng với nhau không nhỏ hơn 20 m, nếu phần chôn dưới đất của dây nối từ tổ tiếp đất dẫn lên cách nhau không đủ 20 m thì phải dùng loại dây nối có vỏ cách điện. Không được dùng bản thân các loại hòm, hộp, tủ, giá làm đường truyền nối đến tổ tiếp đất.”
Một số tiếp đất có thể cần cách ly vì đòi hỏi của tiêu chuẩn đấu nối ghép dây thì cho phép dây nối cân bằng thế qua thiết bị ghim tiếp đất chuyển tiếp (TEC).
Việc lắp đặt cân bằng thế là cực kỳ quan trọng đối với các hệ thống chống sét. Hỏng bất kỳ bộ phận liên kết nào đều có thể dẫn đến phá huỷ thiết bị và gây hại cho con người khi có hiện tượng chuyển tiếp sét.
Sét gây thiệt hại đến đường dây dẫn điện hạ áp cung cấp nguồn cho thiết bị tín hiệu. Các thiết bị tín hiệu thường dùng điện lưới quốc gia tần số 50 Hz; nguồn dự trữ là máy nổ và ắc quy và như vậy là cả các máy nạp ắc quy. Thông thường mạng điện hạ áp chỉ có một cấp bảo vệ duy nhất ở trạm biến áp. Các phần tử bảo vệ ở trạm biến áp thường là các van phóng điện: ZG-500; ZG- 0,6; PBH – 500; PBH-250. Quá áp do sét gây ra có thể làm cháy máy nạp ắc quy, làm huỷ hoại thiết bị tín hiệu. Người ta đã thống kê được các hiện tượng làm hư hỏng thiết bị tín hiệu có đến 80% số trường hợp là do sét đánh vào đường dẫn điện hạ thế nên phải chú ý đến việc chống sét cho đường dây dẫn điện hạ thế.
Chống sét các đường dây hạ áp (đặc biệt các đường dây dài nối từ trạm biến áp đến trạm nguồn thông tin tín hiệu) có các biện pháp: Sử dụng cáp điện lực có che chắn chôn ngầm; lợi dụng che chắn tự nhiên trong khi lắp đặt; trang bị thiết bị chống sét trên đường dây điện lực tại các nơi dẫn vào nhà trạm.
Công nghệ varistor ZnO hoàn thiện có kích thước và hình dáng khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng được dùng cho các đường dẫn điện hạ áp bởi chúng có tính phi tuyến trong quan hệ dòng và áp; điện áp ngưỡng cắt của chúng cho phép dẫn thoát dòng sét lớn vào đất trong  thời gian ngắn; điện áp công tác lớn nhất (làm việc lâu dài với điện áp lớn nhất, trong varistor không có dòng hoặc dòng rò cực nhỏ: microamper); điện áp trên varistor (điện áp sót) khi dẫn dòng sét đi qua nó không ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị cần được bảo vệ vì dung kháng của varistor rất lớn so với tải nên sử dụng varistor trên đường dây hạ áp hoàn toàn không ảnh hưởng đến sự vận hành bình thường của lưới điện. Người ta còn dùng các bộ bảo vệ theo tiêu chuẩn mẫu SRF chẳng những là thiết bị bảo vệ sơ cấp giữa pha và đất mà còn bảo vệ thứ cấp giữa pha và dây trung tính ở vùng có mật độ sét cao vì chúng có khả năng phân dòng lớn (135 KA với sóng xung 8/20  s). Người ta còn dùng các biện pháp phân phối điện xoay chiều cho các hộ tiêu thụ điện ba pha dùng 5 dây dẫn (có dây trung tính N và dây PEN nối với cực tiếp đất chính) và các biện pháp trong kỹ thuật khai thác như việc bố trí lắp đặt các thiết bị nhạy cảm trong vùng được bảo vệ bằng các thu lôi tự nhiên và nhân tạo. Trong trường hợp có lắp đặt dây che chắn, cho phép ngắt quãng vỏ kim loại tại các chỗ nối và bổ sung các biện pháp bảo vệ tại các mối nối nhằm duy trì điện áp cảm ứng giữa vỏ với đất thấp hơn giới hạn điện áp đánh thủng.  Trên đường sắt điện khí hoá có quy định: Khi thiết kế bảo vệ dòng điện phân tán có mâu thuẫn với thiết kế của tiếp đất an toàn sẽ ưu tiên cho yêu cầu của việc tiếp đất an toàn; trường hợp có các đường ống bằng kim loại từ bên ngoài đường sắt dẫn vào đường sắt phải được tiến hành xử lý cách điện.
Sử dụng tiếp đất tốt và hợp lý là một trong những biện pháp quan trọng để chống can nhiễu. Tiếp đất gồm có tiếp đất cỡ lớn như tiếp đất của hệ thống cấp điện tần số công nghiệp, các hệ thống tiếp đất của Lầu thông tin, Lầu tín hiệu, Trung tâm máy tính cũng bao gồm cả tiếp đất trong các mạch điện và thiết bị. Trong các công trình tiếp đất vấn đề đáng chú ý là sự bảo đảm cho trị số điện trở tiếp đất của hệ thống tiếp đất cỡ lớn sau một khoảng thời gian sử dụng vẫn được tốt. Điều này thường dễ bị người ta coi nhẹ. Một vấn đề khác cũng dễ bị người ta coi nhẹ là vấn đề chất lượng nối dây tiếp đất.
Các chuyên gia thông tin, tín hiệu, điện của ĐSVN có thể tra cứu các số liệu thực tế điện trở suất của đất  ở các vùng khác nhau trên cả nước vì đường sắt trải rộng trên cả nước; điện trở suất của đất tại các vùng khác nhau cần cho việc thiết kế điện cực của thiết bị bảo vệ hoặc dùng đất làm đường truyền dẫn điện, truyền dẫn tín hiệu (theo Bản đồ phân vùng điện trở suất đất trên toàn lãnh thổ Việt Nam tỷ lệ 1: 1.000.000 mới nhất  do Liên đoàn Vật lý Địa chất ban hành năm 2003 để tính điện trở tiếp đất cho các hệ thống thiết bị tín hiệu đặt ở ngoài trời có hiệu quả hơn). Ngoài ra còn có thể kiểm tra lại các kết quả tính toán điện trở ba lát của mạch điện đường ray đường sắt (trước đến nay vẫn sử dụng các số liệu tự đo đạc được, bỏ qua yếu tố ảnh hưởng của điện trở suất của đất tại địa điểm tính toán).  Giá trị điện trở suất của đất tại điểm đo – thành  tố cơ bản  quyết định giá trị điện trở cách điện của ba lát tại đó – là số liệu cơ bản cho việc  tính toán, thiết kế mạch điện đường ray trong các hệ thống tự động và điều khiển từ xa vận hành của các đoàn tàu. Phát triển sử dụng các biện pháp nêu trên vừa có khả năng chống can nhiễu vừa có khả năng chống sét để có hiệu quả kinh tế góp phần đảm bảo an toàn cho thiết bị và con người.

KS. DƯƠNG ĐÌNH THI