điện khí quyển và phương án chống sét cho khu dân cư

điện khí quyển và phương án chống sét cho khu dân cư

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

THUẬT NGỮ VÀ ðỊNH NGHĨA 3

MỞ ðẦU 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ðIỆN KHÍ QUYỂN 7

1.1 ðiện khí quyển khi thời tiết tốt .7

1.1.1 Trường ñiện của Trái ðất 7

1.1.2 Ion khí quyển và sự dẫn ñiện của không khí 10

1.1.3 Dòng ñiện toàn cầu 14

1.2 ðiện dông 16

1.2.1 Sơ lược về lịch sử nghiên cứu 16

1.2.2 Mây dông 17

1.2.3 Quá trình nhiễm ñiện 18

1.2.4 Hoạt ñộng phóng ñiện 20

1.2.5 Các phương pháp chống sét 25

Chương 2 TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 27

2.1 Xác ñịnh cấp bảo vệ và vùng bảo vệ 27

2.1.1 Xác ñịnh tần số sét ñánh vào công trình 27

2.1.2 Vùng bảo vệ 29

2.2 Các bộ phận cơ bản của hệ thống chống sét .32

2 2.1 Bộ phận thu sét 32

2.2.2 Dây xuống 32

2.2.3 Mạng nối ñất 34

2.3 Vấn ñề nối ñẳng thế, khoảng cách an toàn và bảo trì hệ thống chống sét 35

2.3.1 Nối ñẳng thế và khoảng cách an toàn 35

2.3.2 Kiểm tra và bảo trì 37

CHƯƠNG 3 LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT BẰNG MATLAB 39

3.1 Cơ sở thuật toán .39

3.1.1 Cơ sở thuật toán xác ñịnh cấp bảo vệ 39

3.1.2 Cơ sở lập trình tính toán ñiện trở tiếp ñất 40

3.1.3 Phương pháp tính toán số bao hóa chất ñể giảm ñiện trở ñất 43

3.2 Viết chương trình 43

3.2.1 Tổng quan 43

3.2.2 Cách sử dụng 46

Chương 4 TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT CHO MỘT CÔNG TRÌNH CỤ THỂ 50

4.1 Giới thiệu sơ lược khu hiệu bộ và khu ký túc xá trường ðại học Tây Nguyên 50 4.1.1 Giới thiệu sơ lược ñịa bàn chứa công trình 50

2

4.1.2 ðặc ñiểm khu hiệu bộ và khu kí túc xá trường ðại học Tây Nguyên 50

4.1.3 Lựa chọn phương án chống sét 51

4.2 Tính toán cấp bảo vệ và lựa chọn thiết bị chống sét cho các khu 52

4.2.1 Xác ñịnh cấp bảo vệ cho các khu 52

4.2.2 Giới thiệu hệ thống chống sét 3000 53

4.2.3 Lựa chọn thiết bị 56

4.3 Lắp ñặt hệ thống chống sét cho công trình 57

4.3.1 Giới thiệu phần mềm Benji hỗ trợ thiết kế chống sét 58

4.3.2 Hướng dẫn lắp ñặt hệ thống chống sét trực tiếp cho các khu 62

4.3.3 ðo ñiện trở suất của ñất 63

4.3.4 Thiết kế hệ thống tiếp ñất cho các khu 68

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Phụ lục I Bản ñồ mật ñộ sét trung bình năm của Việt Nam 74

Phụ lục II Tiêu chuẩn về kích thước vật liệu của hệ thống chống sét 75

Phụ lục III Các bảng hệ số sử dụng của hệ thống tiếp ñất 78

Phụ lục IV Các ñoạn mã chương trình tính toán chống sét 80

Dông: là hiện tượng thời tiết bao gồm sự phóng ñiện giữa các ñám mây (chớp) hoặc giữa ñám mây và mặt ñất (sét), kèm theo gió mạnh và mưa lớn

Dông sét: là cụm từ chỉ dông nhưng nhấn mạnh vai trò của sét

4 Thiết bị dẫn sét tạo tia tiên ñạo (ESE):

ESE là từ viết tắt tiếng anh Early Streamer emission ðầu thu sét tạo tia

tiên ñạo là loại ñầu thu sét bao gồm một kim thu sét cùng với một loại thiết bị ñặc biệt có khả năng tạo ra một ñường dẫn sét chủ ñộng về phía trên nhanh và cao hơn các kim loại thông thường

5 Hiệu ứng corona:

Là hiện tượng dây dẫn bằng kim loại nhọn ñược nối ñất ñặt trong khu vực có ñiện trường mạnh sẽ có hiện tượng các ñiện tích bị bứt ra ngoài không gian từ ñiểm nhọn của dây dẫn ñó

6 Quá trình phát ra ñường dẫn sét:

Là hiện tượng vật lý giữa sự khởi ñầu của hiệu ứng Corona ñầu tiên và sự lan truyền một ñường dẫn sét về phía trên

7 ðộ lợi về thời gian tạo tia tiên ñạo (∆∆∆∆T):

ðại lượng ∆T là ñộ lợi về thời gian tạo ñường dẫn sét chủ ñộng về phía trên của ñầu thu sét loại tia tiên ñạo so với các loại kim thu sét thông thường ở trong cùng một ñiều kiện

8 Thanh nối cân bằng thế:

Là những thanh kim loại dùng ñể nối tất cả các thành phần kim loại tiếp xúc với ñất nằm trong công trình, các vỏ máy, vỏ cáp thông tin, ñiện lực với hệ thống chống sét

9 Khoảng cách an toàn:

Là khoảng cách tối thiểu mà không xảy ra sự phóng ñiện nguy hiểm

10 Dây dẫn sét:

Cực nối ñất tạo ra một vòng khép kín xung quanh công trình ở dưới hoặc trên

bề mặt ñất, hoặc ở phía dưới hoặc ngay trong móng của công trình

14 Cực nối ñất tham chiếu:

Cực nối ñất có thể tách hoàn toàn khỏi mạng nối ñất ñể dùng vào mục ñích

ño ñạc kiểm tra

15 ðiện trở của hệ thống nối ñất:

Là ñiện trở giữa ñiểm kiểm tra của hệ thống nối ñất và ñất

16 Cấp bảo vệ:

Là mức ñộ bảo vệ của hệ thống chống sét ñối với công trình

17 Vùng tập trung tương ñương A c :

Là diện tích mặt phẳng trên mặt ñất có khả năng bị số lần sét ñánh giống như công trình ở cùng một ñiều kiện

18 MATLAB:

MATLAB là từ viết tắt của Matrix Laboratory, có nghĩa là phòng thí nghiệm

ma trận, một môi trường tính toán số và lập trình, ñược thiết kế bởi công ty MathWorks

5

MỞ ðẦU

Dông sét là hiện tượng phóng ñiện trong khí quyển giữa các ñám mây và mặt ñất Hoạt ñộng dông sét gây ảnh hưởng trực tiếp ñến kinh tế - xã hội, gây thiệt hại lớn về người và tài sản

Ở Ấn ðộ, ngày 04/01/2005,15 người bị sét ñánh chết Ngày 21/05/2005, Sét ñánh ở Burundi làm 6 người bị chết Ngày 18/12/2005, một máy bay Nhật Bản bị sét ñánh khi tiếp ñất Ngày 20/11/2006, ở Colombie, sét làm chết 5 người và bị thương 28 người Khoảng 10 người bị chết ở Pháp mỗi năm và 10000 gia súc bị sét ñánh

Dông sét ñốt rừng làm kiệt quệ tài nguyên và phá hoại môi sinh Từ năm

1938 ñến 1939, trên ñất nước Liên Xô (cũ) người ta thống kê ñược sét gây ra 6.000

vụ cháy rừng

Sét phá nhà cửa, công trình kiến trúc, gây hỏa hoạn và ñổ nát Năm 1769 ở

Ý, sét ñánh vào một kho vũ khí làm toàn kho bị nổ và thành phố Brecsia bị phá hủy hoàn toàn và có khoảng 3000 người chết

Cao ốc Empire States ở Mỹ cao 400m có năm, thống kê có tới 48 lần bị sét ñánh Công ty bảo hiểm Mỹ hàng năm phải bồi thường ñến 500 triệu USD cho thiệt hại

do sét

Sét phá hoại các công trình bưu chính viễn thông và ngành ñiện lực Các ñường dây truyền tải ñiện có thể bị sét ñánh thẳng hay sét lan truyền từ dây dẫn vào phá hoại các thiết bị tiêu thụ ñiện trong nhà và công sở

Nước ta nằm ở tâm dông Châu Á, một trong ba tâm dông thế giới có hoạt ñộng dông sét mạnh Theo tạp chí Bưu chính viễn thông số: 3/1999: năm 1997 ở bưu ñiện Long An, sét ñánh 8 lần, phá hỏng hai máy thu phát viba Năm 1998 sét ñánh vào mạng Thông tin viễn thông khắp cả nước 149 lần gây thiệt hại hàng tỷ ñồng

Năm 1990, sét ñánh vào máy biến áp 110/35/10KV trạm trung gian Sơn Tây, sét lan truyền ñánh vào trạm T2 Bắc Ninh làm ñứt dây gây ngắt mạch và nổ máy cắt 35kV

Tuy nhiên, việc nghiên cứu dông sét của nước ta hiện nay còn ở giai ñoạn ñầu và kém xa các nước phát triển Với tình hình biến ñổi phức tạp của khí hậu toàn cầu hiện nay, diễn biến dông sét cũng phức tạp, gần ñây có nhiều cú sét ñánh xuống khu dân cư gây thiệt hại lớn về người và tài sản, gây tâm lý hoang mang cho dân chúng ở một số ñịa phương

6

Trên thực tế, trong lĩnh vực phòng chống sét, nhiều loại máy móc thiết bị chống sét ñược bán trên thị trường mà hiệu quả còn chưa rõ ràng Qua khảo sát của các công trình nghiên cứu cho thấy khi thiết kế lắp ñặt, người thi công không chú trọng tới việc khảo sát ñiện trở suất của ñất, không chú ý tới phạm vi bảo vệ của kim thu sét, nối ñất theo kinh nghiệm với nhiều cọc ñóng thẳng gây lãng phí, việc

bố trí dây dẫn sét còn ñặt nặng vấn ñề thẩm mỹ nên vi phạm các tiêu chuẩn kỹ thuật

và gây mất an toàn…

Từ những lý do trên, người thiết kế cần thiết phải có kiến thức khoa học về ñiện khí quyển và kỹ thuật phòng chống sét tiên tiến ðề tài: “ðiện khí quyển và phương án chống sét cho khu dân cư” góp phần giải quyết các vấn ñề nêu trên

Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài:

Phân tích bản chất của ñiện khí quyển và cơ chế hình thành dông sét

Lựa chọn ñược phương án chống sét tối ưu và lựa chọn thiết bị chống sét hiệu quả cho một công trình cụ thể

Sản phẩm ñạt ñược là chương trình tính toán chống sét ñược viết bằng ngôn ngữ Matlab

Phạm vi và ñối tượng nghiên cứu:

ðối tượng nghiên cứu: cơ chế hình thành mây dông và sét; nghiên cứu

phương án chống sét cho công trình khu hiệu bộ và ký túc xá ðại học Tây Nguyên

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu khí quyển tầng thấp, lựa chọn phương án

chống sét ñánh thẳng cho công trình

Giả thuyết nghiên cứu:

Nếu nghiên cứu rõ cơ chế hình thành và bản chất của dông sét, vận dụng các tiêu chuẩn chống sét và khai thác các phần mềm hỗ trợ sẽ ñề ra ñược phương án chống sét tối ưu cho công trình và tiết kiệm ñược chi phí khi thiết kế

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu ñiện khí quyển ñể hiểu cơ chế

hình thành dông sét, nghiên cứu tiêu chuẩn chống sét làm cơ sở cho tính toán thiết kế chống sét

Phương pháp thực nghiệm: ño kích thước của các công trình ký túc xá ðại học

Tây Nguyên, khảo sát ñiện trở suất của ñất ở các vị trí tiếp ñất của hệ thống chống sét

7

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ðIỆN KHÍ QUYỂN

1.1 ðiện khí quyển khi thời tiết tốt [7][12][13][16]

1.1.1 Trường ñiện của Trái ðất

Trong nhiều nghiên cứu ño ñạc hệ thống ñiện trường tại nhiều ñiểm trên mặt ñất, cường ñộ ñiện trường ñược tính qua biểu thức:

V gradV

Trong ñó V là ñiện thế có ñơn vị là Volt (V)

E là cường ñộ ñiện trường ñơn vị là V/m, hay còn gọi là gradient ñiện thế

- Gradient ñiện thế:

Gradien ñiện thế (PG- Potential Gradient) là một ñại lượng quan trọng của ñiện khí quyển ñược nghiên cứu khá rộng rãi Khi thời tiết tốt và không khí không nhiễm bẩn bởi những hạt son khí (aerosol), biến thiên ngày ñêm của PG từ năm

1903 – 1904 ở Lapland do Simson (1906) biểu diễn ở Hình 1.1 Sự biến thiên PG theo quy luật: biên ñộ của PG một chu kỳ ngày ñêm lớn nhất vào mùa ñông và nhỏ nhất vào mùa hè

Hình 1.1 Biến thiên PG một ngày ñêm trong năm ở Lapland

Những quan sát tại Karasjok ở Lapland của Simpson (1905) và tại Cape Evans ở Nam cực (Simpson, 1919) chỉ ra rằng sự biến ñổi của PG ở hai trường hợp chỉ ñơn giản cùng một cực ñại trong hai thời ñiểm khác nhau Cả hai trường hợp ño

Hình 1.2 Biến thiên một ngày ñêm của PG trên ñại dương

Vôn Schweidler (1929) ñã tổng hợp kết quả ño ñạc về cường ñộ ñiện trường của 57 bóng thám không (balloon) trên bầu trời Châu Âu và ñề xuất biểu thức thực nghiệm:

E(z) = 90.e-0,0035.Z + 40e-0,00023.Z (1.2)

9

Nhận xét: Ở mặt ñất, cường ñộ ñiện trường lớn nhất bằng 130V/m, trên cao

50km ñiện trường gần như bằng không (minh họa ở Hình 1.4) Vậy cường ñộ ñiện

trường của Trái ðất giảm theo ñộ cao

- Cấu trúc ñiện của Trái ðất:

Sử dụng ñịnh lý Gauss ñể tính tổng ñiện tích của Trái ðất Nội dung của ñịnh

lý Gauss ñược phát biểu như sau:

Thông lượng ñiện trường qua một mặt kín bằng ñiện tích bên trong mặt ñó chia cho hằng số ñiện ε0

Hình 1.3 Bề mặt của Gauss Hình 1.4 Cấu trúc ñiện của Trái ðất

4

.

R dS

Q dS

E

E n

E

Q dS

n E

o o

o o

o o

π ε ε

Trong ñó Eo là cường ñộ ñiện trường của trường ñiện ñều, R là bán kính của quả cầu Gauss, Qint là ñiện tích bên trong quả cầu

Với Eo = 130V/m, R = 6378 km, ε0 = 8,85 × 10-12 F m-1

Suy ra ñiện tích của Trái ðất: Qint = - 4πε0 R2 E0 = -590000 C

Nhận xét : Trái ðất mang ñiện tích âm, khí quyển chứa các ñiện tích dương

ở 50 km ñầu tiên, trên ñộ cao 50 km khí quyển trung hòa về ñiện (Hình 1.4)

- Mật ñộ ñiện tích trong khí quyển:

(1.3)

(1.4) (1.5)

(1.6)

ε ρ

Vì E phụ thuộc chiều cao nên ρ phụ thuộc chiều cao z :

E div

o

ε

ρ = = 2,9.e-0,0035.Z + 0,08e-0,00023.Z x 10-12 (1.8) (ρ tính bằng C m-3 và z tính bằng km)

Ví dụ:

Ở mặt ñất : ρ = 2,88×10-12 C m-3

Ở ñộ cao 10 km: ρ = 8,1×10-15 C m-3

1.1.2 Ion khí quyển và sự dẫn ñiện của không khí

- Sự hình thành ion trong không khí:

Sự tồn tại của ion trong khí quyển là nguyên nhân cơ bản của khí quyển có tính chất ñiện Khái niệm ion dương và ion âm (các loại hạt tải của khí quyển) ñược ñặt bởi J.Elster và H Geitel (1899) và ñã giải thích ñược tính dẫn ñiện của không khí Chúng ta ñã biết có ba loại ion chính: ion nhỏ (small ions), ion loại trung (intermediate ions) và ion loại lớn (large ions) Quan trọng nhất là ion loại nhỏ Ion nhỏ là sản phẩm của quá trình phân tử không khí hấp thụ bức xạ Có ba nguồn chủ yếu của hạt có năng lượng cao ñể gây ra ion: ñồng vị phóng xạ (radon isotopes), tia

vũ trụ và bức xạ gamma từ Trái ðất Trên bề mặt châu lục, quan trọng nhất là sự ion hóa từ hoạt ñộng phóng xạ của ñồng vị phóng xạ cùng với bức xạ gamma Sự ion hóa từ tia vũ trụ luôn luôn thường trực chiếm 20% của quá trình ion hóa Sự ion hóa tăng theo ñộ cao

Hình 1.5 Tốc ñộ sản sinh ion phụ thuộc vào ñộ cao

Số ion sinh ra trên một mét khối trong một giây

11

Hình 1.5 biểu diễn tốc ñộ ion sản sinh ra do tia vũ trụ là một hàm của ñộ cao

do Wählin ñề xuất (1994) Tốc ñộ sản sinh của ion ngay mực nước biển khoảng 10 triệu cặp trên một mét khối trong một giây (107m-3s-1) Tuy nhiên, ñến ñộ cao mà tốc ñộ sản sinh ra ion 109 m-3s-1 thì tốc ñộ này bắt ñầu tăng chậm theo ñộ cao

- ðo lường bằng xilanh (cylindrial condenser):

Một hệ thống ống xilanh với nguyên tắc làm việc ñơn giản, chúng ñược sử dụng ñể ño ñộ linh ñộng của ion (Zeleny, 1900), ñếm số ion (Ebert, 1901) và ñiện dẫn suất của không khí (Gerdien, 1905)

Hệ thống ống gồm: một xilanh rỗng bán kính a, một ống xilanh nhỏ ñặt ñồng trục có bán kính b (hình 1.6) Không khí ñược thổi vào giữa hai xilanh bằng quạt hoặc bằng bơm với vận tốc U ðặt một thế hiệu (bias) giữa hai xilanh tạo một ñiện cực ngoài (outer electrode) và một ñiện cực phía trong (central electrode) Nguồn ñiện ñược nối qua một ñiện kế nhạy (electrometer) ñể ño dòng ñiện

Hình 1.6 Ống Gardien

Gọi V là hiệu ñiện thế giữa hai ñiện cực, cường ñộ ñiện trường tại ñiểm cách trục của các xilanh một khoảng r :

b a r

V E

e / log

E

dr

ω ω

/ log

a

ω

/ log 2

) ( 2 − 2

2b 2a

VL U

t L U

e / log ) (

VL b

a b

R

U ( 2 − 2)log e / = 2ω (1.13) Khối khí chuyển ñộng với vận tốc không ñổi U, thể tích khối khí thổi qua ống trong một giây là U π ( a2 − b2)

Vì vậy ñộ linh ñộng lớn hơn lượng sau :

VL

b a b

a

2

/log)( 2 − 2

>

ωNếu gọi n là mật ñộ ion (số ion trên 1 m3 không khí) thì số ion di chuyển qua ống trong thời gian 1 s là: nU π ( a2 − b2)

Dòng ñiện ño ñược là nU π ( a2 − b2) e, trong ñó e là ñiện tích của một ion Dòng ñiện phụ thuộc vào hiệu ñiện thế theo ñịnh luật Ôm, nhưng khi ñến một ñiều kiện hiệu ñiện thế nào ñó thì không tuân theo ñịnh luật Ôm (vì khi tăng hiệu ñiện thế lên nhưng số ion có hạn nên sẽ cho dòng ñiện bão hòa) (Hình 1.7)

Hình 1.7 Dòng ñiện trong chất khí chứa ion

Ví dụ : U = 2m/s, L = 30cm, a bằng 1cm hoặc 2cm, b bằng vài mm và V = 200V thì t = 10-2/ω (s), trong ñó ω là ñộ linh ñộng của ion Giá trị của ñại lượng L/t cho ion nhỏ là 30m/s và 0,03m/s cho ion lớn Nếu ta tăng V, giảm U và U thỏa mãn ñiều kiện nhỏ hơn 0,03m/s thì ta có thể ghi nhận ñược cả ion nhỏ và ion lớn Bằng

13

cách này, Nolan, Boylan và De Sachy (1925) trước tiên ñếm cả hai loại ion rồi ño riêng rẽ loại ion nhỏ sau ñó xác ñịnh ion lớn bằng phép trừ

- ðiện dẫn suất của không khí:

Gọi n+ và n- lần lượt là số ion dương và ion âm trên 1 m3 không khí ðiện dẫn suất tổng cộng của không khí:

λ = λ+ + λ- = e(ω+n+ + ω-n-) (1.14) Trong ñó ω+, ω- là ñộ linh ñộng của ion dương và ion âm

PG và ñiện dẫn suất quan hệ với nhau theo ñịnh luật Ôm :

Gish (1944) ñề xuất biểu thức thực nghiệm của ñiện trở suất phụ thuộc vào ñộ cao:

γ = (2,94e-0,00452Z + 1,39e-0,00375Z + 0,369e-0,000121Z) x1013 (1.16)

γ là ñiện trở suất của khí quyển (ñơn vị Ω.m), ñiện dẫn suất bằng nghịch ñảo của ñiện trở suất λ = 1/γ

Từ dồ thị biểu diễn của ñiện dẫn suất tăng theo ñộ cao (Hình 1.8), ta thấy rằng: khi thời tiết có nắng gắt, ñiện dẫn suất tăng nhanh hơn khi thời tiết có nắng nhẹ

Hình 1.8 ðiện ñẫn suất thay ñổi theo ñộ cao

Từ biểu thức thực nghiệm trên (1.16), các nhà khoa học ñã tính ñược ñiện trở cột Rc = 1,2.1017Ωm2

14

1.1.3 Dòng ñiện toàn cầu

Mô hình cổ ñiển dòng ñiện toàn cầu (the global circuit) ñược ñề nghị bởi C.T.R Wilson (1920,1929) Dòng ñiện toàn cầu phát sinh từ sự cân bằng giữa ñiện tích sinh ra trong vùng có thời tiết bị xáo ñộng và dòng ñiện toàn cầu của ion nhỏ ñi vào vùng có thời tiết tốt

ðiện thế của tầng ñiện ly (ionosphere potential) gây ra một dòng ñiện chạy qua ñiện trở cột thẳng ñứng của tầng ñối lưu (troposphere) và tầng bình lưu (stratosphere)

- ðiện thế của tầng ñiện ly :

ðiện thế V1 của tầng ñiện ly so với gốc ñiện thế (ở mặt ñất) ñược tính :

∫

= 10

z

dz z E

E(z) ñược ño bằng sensor ñặt trên bóng thám không hoặc máy bay ðộ dẫn ñiện của không khí tăng thực chất ở trên tầng ñối lưu Sự tăng nhiệt ñộ trên bề mặt Trái ðất dẫn ñến sự ñối lưu mạnh mẽ hơn, ñiều này làm tăng ñiện thế của tầng ñiện

ly V1 (Price, 1993) và có thể ñề nghị một phương pháp gián tiếp của sự dự báo nhiệt

ñộ trên bề mặt Trái ðất Những thu thập nghiên cứu của Mülheisen (Budyko, 1971)

ở ðức từ năm 1959 ñến 1972 ñã cung cấp những dẫn chứng quan trọng cho mô hình dòng ñiện toàn cầu và những thay ñổi của ñiện thế tầng ñiện ly ở các ñịa phương Hình 1.9 chỉ ra sự so sánh của V1 ở Weissenau (Germany) và ðại Tây Dương (ñược nghiên cứu trên tàu Meteor) với PG ở Lerwich ðo ñạc này do Mülheisen và Fischer tiến hành ở hai thời ñiểm 17 tháng 3 và ngày 2 tháng 4 năm 1969 ðiện thế của tầng ñiện ly và PG ñều có các biên ñộ lớn nhất vào các ngày 20 và 21 tháng 3; các biên ñộ này giảm dần và thấp nhất vào những ngày cuối tháng 3 và những ngày ñầu tháng 4

Hình 1.9 ðiện thế của tầng ñiện ly ở các nơi so với PG ở cùng chu kỳ thời gian

j là mật độ dịng điện (A/m2), Rc là điện trở cột

Tại bề mặt Trái ðất, dịng j cĩ thể được xác định như dịng điện đi từ bầu khí quyển vào đất

Ví dụ khi thời tiết tốt, đề xuất của Isrặl (1953) V1 = 270 kV và Rc = 1017Ωm2thì j = V1/Rc = 2.7.10-12A/m2

Dịng điện i = j.ST = 2.7.10-12 x 4π(6400.103)2≈1400 A

Hình 1.10 Mạch điện tương đương của Trái ðất

Trái ðất nhận được các điện tích dương, nĩ phĩng điện trong thời gian t =

|QT| / i = 590000/1400 ≈ 421 s ðiện tích của nĩ vẫn giữ nguyên khơng đổi nhờ hoạt động dơng sét

Như vậy hệ thống cầu hình thành bởi tầng điện ly bao xung quanh Trái ðất làm thành một cái tụ cĩ điện dung và tạo thành mạch RC tích và phĩng cĩ hằng số thời gian τ khoảng 7 phút Ta cĩ thể đưa ra mạch điện tương đương cho Trái ðất được minh họa ở Hình 1.10

Vậy, Gradient điện thế của Trái ðất khi thời tiết tốt biến thiên theo chu kỳ ngày, cực đại vào lúc vừa tối và cực tiểu vào lúc bình minh Cường độ điện trường Trái ðất giảm theo độ cao Tính dẫn điện của khí quyển quyết định chủ yếu bới các ion nhỏ và điện dẫn suất tăng theo độ cao

16

1.2 ðiện dông[3][4][7][17][18][19]

1.2.1 Sơ lược về lịch sử nghiên cứu

Tiếng sét trong thần thoại là sự ñem ñến sợ hãi cho con người bởi sức mạnh của tự nhiên Người Hy Lạp kinh sợ sét và coi nó như là sự gào thét của thần Zớt Những tên cướp ở Bắc Âu (thế kỷ VIII và X) cho rằng sét ñược sinh ra bởi ông Thor bằng cách lấy cái búa ñánh vào ñe, chúng ñược chở bằng xe ngựa băng qua những ñám mây Bộ lạc Bắc Mỹ tin rằng sấm sét sinh ra là do tiếng vỗ của ñôi cánh phát sáng của con chim huyền bí Ngày nay, khoa học ñã giải thích sét thông qua thực nghiệm ño ñạc thay cho những khái niệm trực giác và huyền bí ñó

Tia lửa kèm theo tiếng nổ phát ra từ máy ñiện và chai Leyden là những thí nghiệm ñầu tiên của Hanksbee, Newton, Wall, Nollet và Gray Các ông ñã chỉ ra rằng sấm sét là do sự phóng ñiện Năm 1708, tiến sĩ William Wall là một trong những người ñầu tiên quan sát tia lửa ñiện giống với tia sét thu nhỏ

Giữa thế kỷ 18, Benjamin Franklin chỉ ra rằng hiện tượng phóng ñiện trong khí quyển về cơ bản không khác với tia lửa ñiện Tháng 7 năm 1750, Franklin giả thiết rằng ñiện năng có thể lấy ñược từ một ăng ten cao với một ñầu nhọn Vào năm

1952, Thomas-Francois Dalibard dựng một cột sắt cao 12 m tại Marly-la-Ville (gần Paris), bắt ñược tia lửa nổ (detonating sparks) khi ñám mây ñi qua Tháng 5 năm

1752, Thomas-Francois Dalibard khẳng ñịnh lý thuyết của Franklin ñúng

Franklin ñã nêu ra sự giống nhau giữa tia lửa ñiện và sét:

- Cả hai phát ra ánh sáng màu giống nhau

- Chúng di chuyển nhanh chóng

- Dẫn ñược trong kim loại, nước và nước ñá

- Nấu chảy kim loại và bắt lửa ñối với chất dễ cháy

- Có mùi “lưu huỳnh” (mà ngày nay ta biết là mùi của ôzôn)

- Ngọn lửa Sant-Elma tương tự với sự phóng ñiện phát sáng

- Có thể dùng kim nhọn ñể thu

Tháng 6 năm 1752, Franklin làm thí nghiệm nổi tiếng về sét bằng diều Thí nghiệm này ñược lập lại bởi Romass, ông ñã lấy ra tia lửa từ sợi dây kim loại dài 2,7m

Với việc sáng chế ñiện kế xách tay và bình ngưng của Kenvin thế kỷ 19, việc

ño lường ñạt ñộ chính xác cao H.H.Hoffert (1888) nhận biết sét ñánh thẳng bằng camera và công bố trong tác phẩm “Intermittent Lightning – Flashes” J Elster và

H Geitel làm việc trên máy phát xạ electron nhiệt và ñã ñề xuất lý thuyết giải thích cấu trúc ñiện dông (1885) Bằng cách ñó có thể xác ñịnh rõ ion dương và ion âm luôn tồn tại trong khí quyển F.Pocket (1897-1900) ước tính cường ñộ dòng sét bằng cách phân tích ánh sáng của chớp Nghiên cứu sét bằng kỹ thuật ño lường hiện ñại

Tiến sĩ Nguyễn Xuân Anh, trưởng Phòng Vật lý khí quyển, Viện Vật lý ñịa cầu, khuyến cáo vào mùa mưa, người dân phải chú ý tới sét, hiện tượng này thường xảy ra do sự phát triển bất thường của khí hậu Việt Nam là một trong 3 vùng có hoạt ñộng sét mạnh nhất thế giới, với mức trung bình 80 ñến 90 ngày dông trong năm Các tỉnh hay bị sét nhất là Hòa Bình, Hải Dương, Hà Tĩnh và ñồng bằng sông Mekong Dông kèm theo mưa lớn và sét xuất hiện thường xuyên ở Việt Nam vào tháng 5 ñến tháng 9 Việc nghiên cứu và dự báo dông sét ở Việt Nam gần ñây ñược cải thiện một cách ñáng kể, nhờ việc lắp ñặt một hệ thống quan sát gồm 8 trạm trên

cả nước Viện Vật lý ñịa cầu ñã ñưa ra dự báo rủi ro sét cho người dân

1.2.2 Mây dông

Dông là hiện tượng xảy ra chủ yếu vào mùa hè liên quan ñến sự phát triển mạnh mẽ của ñối lưu nhiệt và các nhiễu ñộng khí quyển Dông ñược ñặt trưng bởi

sự xuất hiện những ñám mây dông hay mây tích vũ (Cumulonimbus) có ñộ dầy từ

10 ÷ 16 km, tích tụ một lượng nước và tạo ra những ñiện thế cực mạnh

Hình 1.11 Cấu trúc của mây dông

18

Trong thực tế sự hình thành các cơn dông gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khắ khổng lồ từ mặt ựất bốc lên Các luồng không khắ này ựược hình thành do sự ựốt nóng bởi ánh sáng Mặt Trời, ựặc biệt ở các vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khắ nóng ẩm với không khắ lạnh (dông Front) Sau khi ựã ựạt ựược ựộ cao nhất ựịnh (khoảng vài kilômet trở lên Ờ vùng nhiệt ựộ âm), luồng không khắ ẩm này bị lạnh ựi, hơi nước ngưng tụ thành những giọt nhỏ li ti hay các tinh thể băng và tạo thành những ựám mây dông Cơn dông có thể kéo dài từ 30 phút ựến 12 tiếng và có thể trải rộng từ vài chục ựến hàng trăm km

Thông thường, thành phần của mây dông gồm có mưa, tuyết hòn và mảnh băng Tuyết hòn (snow pellets) hoặc tuyết hạt ựược tạo thành bởi nước chậm ựông bám lên các tinh thể tuyết Mảnh băng: tinh thể băng tập hợp các hạt nước ựông cứng ở bề mặt Trong những chuyển ựộng thẳng ựứng ựủ lớn, các hạt nước này chảy

ra và ựóng băng trở lại (có cấu trúc vỏ hành)

1.2.3 Quá trình nhiễm ựiện

đã từ lâu người ta khẳng ựịnh về nguồn tạo ra ựiện trường giữa các ựám mây dông và mặt ựất chắnh là những ựiện tắch tắch tụ trên các hạt nước li ti và các tinh thể băng của các ựám mây dông ựó

Xét quá trình nhiễm ựiện trong mây phải dựa vào hai tiêu chuẩn chung :

* Vật lý vi mô (vai trò của hạt nước- hydrométéores)

* động học (vai trò của các ion)

- Các cơ chế vật lý vi mô :

1- Va chạm giữa các hạt nước dẫn ựến sự truyền ựiện tắch theo hai kiểu quá trình: quá trình cảm ứng (có vai trò của ựiện trường) và không cảm ứng (không có vai trò của ựiện trường)

2- Hiệu ứng trọng lực dẫn ựến phân tách các hạt và tạo thành sự phân cực hạt

Hình 1.12 Quá trình va chạm cảm ứng

Hai giai ựoạn trong quá trình cảm ứng (Hình 1.12):

19

+ Va chạm giữa các hạt trung hòa nhưng bị phân cực và có kích thước khác nhau, kết quả hạt lớn tích ñiện âm, hạt nhỏ tích ñiện dương

+ Phân tách giữa hai ñám hạt: các hạt lớn tích ñiện âm tách xuống phía dưới

và các hạt nhỏ tích ñiện dương ở phía trên

Thuận lợi của tiêu chuẩn này là giải thích tốt cấu trúc phân cực chính của mây Và gặp bất thuận lợi là cần sự tồn tại trước một ñiện trường trong mây (quá trình không khởi ñầu)

Quá trình không cảm ứng là sự va chạm của các hạt bị ñóng băng có nhiệt ñộ khác nhau (Hình 1.13)

Tinh thể băng mang nhiệt ñộ T2 ñi lên va chạm với tuyết hạt mang nhiệt ñộ

T1 (T1 < T2) ñi xuống Kết quả là phần dương ở trên ñám mây (các tinh thể), phần

âm ở giữa ñám mây (tuyết hạt), phần dương ở dưới ñám mây (tuyết hạt)

Hình 1.13 Quá trình va chạm không cảm ứng

- Quá trình ñộng học:

Theo lý thuyết nhiễm ñiện ñối lưu của Vonnegut (1963), sự vận chuyển của

các ion dương tạo nên ở mặt ñất về phía ñám mây bởi các dòng ñối lưu Các ion

dương ñi tới ñỉnh của ñám mây hút các hạt tích ñiện âm và các hạt tích ñiện âm này

vì thế bị kéo xuống dưới bởi các dòng ñi xuống

- Cấu trúc ñiện của mây tích vũ:

Hình 1.14 Cấu trúc ñiện cơ bản của mây tích vũ

20

Cấu trúc 3 cực là phổ biến nhất, các cực mang tên p, N, P (Hình 1.14) Vùng phắa trên chiếm một nửa vùng mây, chứa ựiện tắch dương gọi là vùng P Vùng chắnh giữa mây gọi là vùng ựiện tắch âm N, vùng thấp nhất phân bố ắt ựiện tắch hơn mang ựiện tắch dương gọi là vùng p ở chân mây Vùng N và P có ựiện tắch xấp sỉ bằng nhau tạo thành lưỡng cực Malan (1952) ựã cho biết phân bố vùng ựiện tắch P, N, p theo ựộ cao của mây dông ở Nam Mỹ (cách 1.8km trên mực nước biển) điện tắch tổng cộng 10C ở giới hạn 2 km, - 40 C ở giới hạn 5 km và + 40 C ở giới hạn 10 km

- điện trường giữa mây dông và mặt ựất:

+ Mặt ựất là một mặt phẳng dẫn ựiện, ựiện trường (trong không gian) gây cảm ứng một ựiện tắch trên mặt này (lượng ựiện tắch cảm ứng này làm thay ựổi ựiện trường trong ựất tạo ra ảnh của ựiện trường không gian qua mặt phẳng Trái đất, biểu diễn ở Hình 1.15)

Hình 1.15 đám mây lưỡng cực và ảnh ựiện của nó trên mặt ựất

+ điện trường ựược tăng cường bởi các vật dẫn: hạt nước trong mây, các vật nhô cao của mặt ựất (cây cối, các cột ựiện cao thế, các tháp cao, các tòa nhà caoẦ)

1.2.4 Hoạt ựộng phóng ựiện

đến một mức ựộ nào ựó ựộ lớn của các ựiện tắch trái dấu của mây sẽ tạo nên một sự chênh lệch ựiện thế ựể ựánh thủng lớp không khắ ngăn cách nó với mặt ựất (cường ựộ ựiện trường ở mặt ựất lúc này khoảng 25 ọ 30kV/cm), lúc này xảy ra hiện tượng phóng ựiện giữa ựám mây dông và mặt ựất

Tiến trình có khả năng nhất của cấu trúc mây và kiểu phóng ựiện trong quá trình dông theo Krehbiel (1986) ựược biểu diễn bằng Hình 1.16

21

Theo thống kê của các nghiên cứu, phóng ñiện trong mây chiếm 80%, phóng ñiện mây-ñất chiếm 20%

Hình 1.16 Bốn kiểu phóng ñiện a) Phóng ñiện trong mây

b) Phóng ñiện mây-ñất

c) và d) Phóng ñiện có thể có sự truyền chéo hoặc nằm ngang giữa các ñám mây với nhau

- Các giai ñoạn phóng ñiện của sét

Ban ñầu xuất phát từ mây dông một dải sáng mờ kéo dài từng ñợt gián ñoạn

về phía mặt ñất với tốc ñộ trung bình khoảng 105 ÷ 106 m/s, ñó là giai ñoạn phóng ñiện tiên ñạo theo từng ñợt Kênh tiên ñạo là một dòng plasma mật ñộ ñiện tích không cao lắm, khoảng 1013÷1014 ion/m3 Một phần ñiện tích âm của mây dông tràn vào kênh và phân bố tương ñối ñều dọc theo chiều dài của nó (hình 1.17a)

Thời gian phát triển của kênh tiên ñạo mỗi ñợt kéo dài khoảng 1µs (mỗi ñợt kênh tiên ñạo kéo dài thêm trung bình vài chục mét) Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai ñợt liên tiếp khoảng từ 30 ÷ 90 µs

ðiện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên ñạo bằng: Q = σ.L

Với: σ là mật ñộ ñiện tích, L là chiều dài kênh

ðiện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng ñiện tích chạy vào ñất trong một lần phóng ñiện sét Dưới tác dụng của ñiện trường tạo nên bởi ñiện tích của mây dông và ñiện tích trong kênh tiên ñạo, sẽ có sự tập trung ñiện tích trái dấu (thường là ñiện tích dương) trên vùng mặt ñất phía dưới ñám mây dông (hình 1.17b) Nếu vùng ñất phía dưới bằng phẳng và có ñiện dẫn ñồng nhất thì nơi ñiện tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên ñạo Nếu vùng ñất phía dưới

có ñiện dẫn khác nhau thì ñiện tích sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi có ñiện dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng ñất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các nhà cao tầng, cột ñiện, cây cao bị ướt,… những nơi ñó sẽ là nơi

ñổ bộ của sét

22

Hình 1.17 Các giai ñoạn phóng ñiện sét và biến thiên của dòng ñiện sét theo thời gian

a Giai ñoạn phóng ñiện tiên ñạo

b Tiên ñạo ñến gần mặt ñất hình thành khu vực ion hoá mãnh liệt

c Giai ñoạn phóng ñiện ngược hay phóng ñiện chủ yếu

d Phóng ñiện chủ yếu kết thúc

Cường ñộ ñiện trường ở ñầu kênh tiên ñạo trong phần lớn giai ñoạn phát triển của nó (trong mây dông) ñược xác ñịnh bởi ñiện tích bản thân của kênh và của ñiện tích tích tụ ở ñám mây ðường ñi của kênh tiên ñạo này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt ñất Chỉ khi kênh tiên ñạo còn cách mặt ñất một ñộ cao ñịnh hướng nào ñó thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng sự tập trung ñiện tích ở mặt ñất và ở các vật thể dẫn ñiện nhô khỏi mặt ñất với hướng phát triển tiếp tục của kênh theo hướng có cường ñộ ñiện trường lớn nhất

Ở những nơi vật dẫn có ñộ cao (nhà cao tầng, cột ăng ten, ñài phát thanh,…)

từ ñỉnh của nó nơi ñiện tích trái dấu tập trung nhiều sẽ ñồng thời xuất hiện ion hóa tạo nên dòng tiên ñạo phát triển hướng lên ñám mây dông Chiều dài của kênh tiên ñạo từ dưới lên trên tăng theo ñộ cao của vật dẫn và tạo ñiều kiện dễ dàng cho sự ñịnh hướng của sét vào vật dẫn ñó

Khi kênh tiên ñạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt ñất hay tiếp cận kênh tiên ñạo ngược chiều thì bắt ñầu giai ñoạn phóng ñiện ngược lại hay phóng ñiện chủ yếu, tương tự như các quá trình phóng ñiện ngược trong chất khí ở ñiện trường không ñồng nhất (hình 1.17c) Trong khoảng cách không khí còn lại giữa ñầu kênh tiên ñạo và mặt ñất, cường ñộ ñiện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt dẫn ñến hình thành một dòng plasma có mật ñộ ñiện tích từ 1016÷ 1019 ion/m3 cao hơn nhiều so với mật ñộ ñiện tích của tia tiên ñạo, ñiện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần, ñiện tích cảm ứng từ mặt ñất tràn vào dòng ngược và thực tế ñầu dòng mang ñiện thế của ñất làm cho cường ñộ ñiện trường ñầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh

23

liệt và cứ như vậy dòng plasma ñiện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo ñường chọn sẵn của kênh tiên ñạo Tốc ñộ phát triển của kênh tiên ñạo phóng ngược rất cao vào khoảng 0,5.107 ÷ 1,5.108m/s (bằng 0,05 ÷ 0,5 lần vận tốc ánh sáng) tức

là nhanh gấp trên trăm lần tốc ñộ phát triển của kênh tiên ñạo hướng xuống Vì mật

ñộ ñiện tích cao ñốt nóng mãnh liệt nên tia phóng ñiện chủ yếu sáng chói còn gọi là chớp ðặt ñiểm quan trọng nhất của phóng ñiện chủ yếu là cường ñộ dòng ñiện lớn

Gọi V là tốc ñộ của phóng ñiện, σ là mật ñộ ñiện tích thì dòng ñiện sét sẽ ñạt giá trị cao nhất

is = σV

Khi kênh phóng ñiện chủ yếu lên tới ñám mây thì số ñiện tích còn lại của mây sẽ theo kênh phóng ñiện chạy xuống ñất và cũng tạo nên ở chỗ sét ñánh một dòng ñiện có trị số nhất ñịnh giảm nhanh tương ứng với phần ñuôi sóng (Hình 1.17d)

Kết quả quan trắc sét cho thấy phóng ñiện sét thường xảy ra nhiều lần kế tục nhau (trung bình là 3 lần, nhiều nhất có thể ñến vài chục lần) Các lần phóng ñiện sau có dòng tiên ñạo phát triển liên tục (không theo từng ñợt như lần ñầu), không phân nhánh và theo ñúng quĩ ñạo của lần ñầu nhưng với tốc ñộ cao hơn (2.106m/s)

Qua nghiên cứu về sét, người ta lý giải ñược sự phóng ñiện nhiều lần của sét Trong ñám mây dông có thể có nhiều trung tâm ñiện tích khác nhau ñược hình thành do những luồng không khí xoáy Lần phóng ñiện ñầu ñược xảy ra giữa ñất và trung tâm ñiện tích có cường ñộ ñiện trường cao nhất Trong giai ñoạn phóng ñiện tiên ñạo thì hiệu ñiện thế giữa các trung tâm ñiện tích này với trung tâm ñiện tích ñầu tiên thực tế không thay ñổi và ít có ảnh hưởng qua lại với nhau Nhưng khi kênh phóng ñiện chủ yếu ñã lên ñến mây thì trung tâm ñiện tích ñầu tiên của ñám mây thực tế mang ñiện thế của ñất làm cho hiệu ñiện thế giữa trung tâm ñã phóng với trung tâm ñiện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn ñến phóng ñiện với nhau Khi

ñó thì kênh phóng ñiện cũ vẫn còn một ñiện thế nhất ñịnh do sự khử ion chưa hoàn toàn nên phóng ñiện tiên ñạo lần sau theo ñúng quỹ ñạo ñó, liên tục và với tốc ñộ cao hơn lần ñầu

- Các thông số của sét :

Khi tính toán bảo vệ chống sét, thông số chính cần chú ý là dòng ñiện sét có phạm vi giới hạn rất rộng, biên ñộ dòng sét có thể lên ñến 200-300 KA Tuy nhiên, phần lớn trường hợp gặp sét ñánh ở trị số 50 KA, sét có dòng ñiện từ 100 KA trở lên rất hiếm xảy ra Do ñó, trong tính toán thường lấy dòng ñiện sét bằng 50 KA

Dòng ñiện sét có dạng một sóng xung Thường trong khoảng vài ba micro giây dòng ñiện tăng nhanh ñến trị số cực ñại tạo thành phần ñầu sóng, sau ñó giảm chậm trong khoảng 20 - 100 µs tạo nên phần ñuôi sóng (Hình 1.18)

24

Hình 1.18 Dạng sóng dòng ñiện sét

Các thông số chủ yếu:

+ Biên ñộ dòng sét: là giá trị lớn nhất của dòng ñiện sét (ismax)

+ Thời gian ñầu sóng (tds): là thời gian dòng sét tăng từ 0 ñến giá trị cực ñại + ðộ dốc dòng ñiện sét: a = dis/dt

+ ðộ dài dòng ñiện sét (ts): là thời gian từ ñầu dòng ñiện sét ñến khi dòng ñiện giảm bằng 1/2 biên ñộ

- Biên ñộ dòng sét và xác suất xuất hiện:

Dòng ñiện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng ñiện chủ yếu ñến trung

tâm ñiện tích của ñám mây dông gọi là biên ñộ dòng ñiện sét

Xác suất xuất hiện dòng ñiện sét có thể tính gần ñúng theo công thức:

+ Cho vùng ñồng bằng: VI = e-is/60 = 10-is/60, hay lgVI = -is/60

+ Cho vùng núi cao: VI = 10-is/30 , hay lgVI = -is/30

(VI là xác suất xuất hiện dòng ñiện sét, có biên ñộ lớn hơn hoặc bằng is) Chẳng hạn, xác suất phóng ñiện sét có biên ñộ dòng sét is ≥ 60KA: lgVI = -60/60 = -1 ⇒ VI = 10%

Có nghĩa là trong tổng số lần sét ñánh chỉ có 10% số lần sét có biên ñộ dòng ñiện sét từ 60KA trở lên

- ðộ dốc ñầu sóng dòng ñiện sét và xác suất xuất hiện:

ðể ño ñộ dốc dòng ñiện sét người ta dùng một khung bằng dây dẫn nối vào một hoa ñiện kế Khi sét ñánh vào cột thu sét với ñộ dốc a thì trong khung sẽ cảm ứng lên một sức ñiện ñộng bằng M.dis/dt (M là hệ số hổ cảm giữa dây dẫn dòng ñiện sét của cột thu sét với khung)

ðiện áp ñầu ra của khung: U = M.(dis/dt)max

ðộ dốc lớn nhất của dòng ñiện sét chạy qua cột: a = (dis/dt)max, (KA/µs) Xác suất xuất hiện ñộ dốc có thể tính theo:

+ Cho vùng ñồng bằng: Va = e-a/15,7 = 10-a/36

+ Cho vùng núi cao: Va = 10-a/18

- Cường ñộ hoạt ñộng của sét:

ismax

is

25

Cường ñộ hoạt ñộng của dông sét ñược xác ñịnh bằng số ngày dông trong một năm và xem như trị số trung bình qua nhiều năm quan sát và ño ñạt ở những ñịa phương khác nhau

1.2.5 Các phương pháp chống sét

Trên thế giới hiện nay, trải qua 250 năm kể từ khi Franklin ñề xuất phương pháp chống sét (PPCS), trong lĩnh vực phòng chống sét ñã có nhiều phương pháp khác nhau ñược sử dụng

- Phương pháp dùng lồng Farañây:

Lồng Faradây là lồng kim loại bao kín khu vực bảo vệ Theo lý thuyết sóng ñiện từ thì ñây là phương pháp lý tưởng ñể phòng chống sét PPCS này ñược sử dụng bảo vệ một số khu vực ñặc biệt như nơi chứa thuốc nổ, hạt nhân Tuy nhiên phương pháp này tốn kém và không khả thi trên thực tế áp dụng cho tất cả các công trình

- Phương pháp chống sét truyền thống

Benjamin Franklin (1752) ñã ñề xuất một PPCS bảo vệ nhà cửa thuyền bè Ông dùng kim thu sét bằng kim loại ñặt trên ñỉnh nóc nhà, nối với một dây kim loại dẫn xuống ñất Qua kiểm chứng trải qua 250 năm qua, PPCS của Franklin và những

hệ tương ñương phương pháp này ñã thật sự giảm thiệt hại về nhà cửa, tài sản

Phương pháp chống sét truyền thống có hai dạng là: hệ gắn thẳng với nhà và

hệ bao quanh hay nằm trên Hệ Franklin là thí dụ về hệ gắn thẳng và hiện nay vẫn

sử dụng rộng rãi Quy phạm TCXDVN 46 -2007 ñã quy ñịnh về chiều cao và cách

bố trí kim thu sét, kích cỡ của dây nối ñất, cách thực hiện và ñặc tính của hệ nối ñất Gần ñây một vài kiểm chứng cho thấy kim tù làm việc tốt hơn kim nhọn

Hệ Franklin bao quanh hay nằm trên hay còn gọi là hệ mắt xích hay lưới Nó thường bao gồm hệ dây dẫn ở trên ñỉnh treo trên các cột và nối với hệ thống ñất Hệ này có ưu việt là một khi nó tiếp nhận tia sét thì tia sét ở cách xa khu vực bảo vệ xa hơn hệ Franklin nối trực tiếp Dạng bảo vệ này thường ñắt hơn dạng gắn trực tiếp

Thực nghiệm cho thấy, hệ Franklin không cho hiệu quả chống sét 100% Tuy sét ñánh vào kim thu sét nhiều hơn và hiệu quả của PPCS là khá tốt, song nhiều kết quả thực nghiệm cho thấy sét có thể bỏ qua kim thu sét mà ñánh trực tiếp vào nhà mặc dù có thể làm kim thu sét lên rất cao Ngay cả khi sét ñánh vào kim thu sét thì dây nối ñất không hiệu quả cho việc dẫn các thành phần tần số cao của tia sét khi có các vật kim loại ở gần Các nhà có chứa các dụng cụ nhạy cảm với sét như các thiết

bị ñiện tử sẽ bị hỏng hóc

Như vậy, phương pháp truyền thống trong nhiều năm qua ñã chứng tỏ khả năng bảo vệ của nó, tuy nhiên ñối với yêu cầu cao như hiện nay (các thiết bị ñiện tử,

26

nhà máy hạt nhân, ựạn dược, ) thì những nhược ựiểm nêu trên sẽ có thể gây thiệt hại khôn lường

- Phương pháp không truyền thống

Một số hệ chống sét khác với dạng Franklin nổi lên trong hàng chục năm gần ựây đáng chú ý là:

+ Hệ phát xạ sớm

+ Hệ ngăn chặn sét (hệ tiêu tán năng lượng sét)

Những người bảo vệ hệ dùng kim thu sét phát xạ sớm cho rằng kim này phóng tia tiên ựạo lên sớm hơn so với hệ Franklin Một vài dụng cụ ựược sử dụng gây phát xạ sớm như nguồn phóng xạ và kắch thắch ựiện của kim

Hệ ngăn chặn sét với mục ựắch là phân tán ựiện tắch của mây dông trước khi

nó phóng ựiện Hay nói khác ựi tạo ựám mây ựiện dương tại khu vực ựể làm chệch tia sét khỏi khu vực bảo vệ Nhiều dạng dụng cụ phân tán ựược sử dụng Chủ yếu cấu tạo bởi rất nhiều kim mũi nhọn nối ựất Những ựiểm này có thể như những dạng lưới kim loại, bàn chải Các dụng cụ này có tác dụng chuyển ựiện tắch dương từ ựất vào khắ quyển Nhưng vấn ựề ở ựây là các ựám mây dông tạo ựiện tắch và chuyển ựộng rất nhanh Liệu các thiết bị này có kịp tạo ựám mây ựiện tắch ựể làm chệch tia sét hay không? Chưa có thông tin khoa học tin cậy nào thông báo về khả năng này của hệ thống có ựủ tốc ựộ ựể làm lệch hướng tia sét xuống khu vực bảo vệ

- Hút sét bằng tia laser

Nhằm tìm kiếm giải pháp chống sét 100%, các công ty hàng năm ựầu tư hàng triệu ựôla cho công việc nghiên cứu hút sét bằng laser Các nhóm nghiên cứu mạnh về vấn ựề này là giáo sư Bazelyan (Nga), giáo sư Zen Kawazaki (Nhật) đã có những kết quả bước ựầu Tại Nhật, năm 1997 sau rất nhiều lần thử nghiệm người ta ựã 2 lần thu ựược tia sét bằng cách này Theo ý kiến các chuyên gia, về kỹ thuật có thể thực hiện ựược Khó khăn ở chỗ ựồng bộ hoá và chi phắ cho một cú chống sét bằng phương pháp này có thể nói ựắt hơn vàng Hướng nghiên cứu này ựang ựược tiếp tục

- Phương pháp phòng chống tắch cực

Một dạng phương pháp ựược sử dụng có hiệu quả trong những năm gần ựây

là dự báo dông sét sớm Nhờ vào các thiết bị hiện ựại như ra ựa, vệ tinh, các hệ thống ựịnh vị phóng ựiện, người ta có thể dự báo ựược khả năng có dông sét xảy

ra tại khu vực trong khoảng thời gian từ vài giờ ựến 30 phút Các phương pháp này ựược ứng dụng rộng rãi trong hàng không, ựiện lực, an toàn cho con người

Tuy vậy, việc lựa chọn các phương pháp chống sét còn căn cứ vào nhiều tiêu chắ: ựặc ựiểm cụ thể của công trình: công trình là nhà ở, cơ quan hay xắ nghiệp, nơi chứa hóa chất dễ cháyẦ; tầm quan trọng của công trình; ựiều kiện kinh tế của người dân và ựịa phươngẦ

1 TCXD 46 – 1984: Chống sét cho công trình xây dựng – Tiêu chuẩn thiết

kế thi công

2 TCXD 46 – 2007: Chống sét cho công trình xây dựng – Hướng dẫn thiết

kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống

3 NFC 17 -102: Tiêu chuẩn chống sét của Pháp

4 TCN 68-141: 1995: Tiếp ñất cho các công trình Viễn thông, yêu cầu kỹ thuật

Ac: vùng tập trung tương ñương của công trình, là vùng có xác suất bị sét ñánh giống như công trình ở cùng một ñiều kiện sét; C1 là hệ số ñiều chỉnh phụ thuộc vào vị trí công trình ñược tra ở bảng 2.1

ðối với công trình có cấu trúc hình hộp chữ nhật với chiều dài là L, chiều rộng là W, chiều cao là H, thì vùng tập trung tương ñương ñược tính:

Ac = LW + 6H(L + W) + 9πH2 [m2] (2.2)

Bảng 2.1 Hệ số phụ thuộc vào vị trí công trình

Công trình nằm trong vùng có các cấu trúc khác, cây cao ngang

hoặc cao hơn công trình

0,25

Công trình bao quanh bởi các công trình khác thấp hơn 0,5

28

Công trình ñộc lập, không có các công trình khác trong phạm vi 3H 1

Công trình nằm trên núi hay ñồi cao 1

Khi vùng tập trung tương ñương của công trình bao cho cả những công trình lân cận thì các công trình lân cận khỏi cần phải tính toán kỹ lưỡng

Giá trị bình thường và có khả năng bắt lửa 1

Giá trị cao và ñặc biệt bắt lửa 2

Giá trị cao, bắt lửa cao, dễ gây nổ 3

Bảng 2.4 Hệ số phụ thuộc tính năng của công trình

C4 Không có người làm việc thường xuyên 0,5

Có người làm việc thường xuyên 1

Tập trung ñông người, khó sơ tán 3

Bảng 2.5 Hệ số phụ thuộc vào tác hại của sét

C5 Công trình không yêu cầu hoạt ñộng liên tục, không có tác hại ñối

với môi trường

1

Công trình yêu cầu hoạt ñộng liên tục, có tác hại ñối với môi trường 5

29

Nếu Nd ≤ Nc: công trình có thể không cần hệ thống chống sét

Nếu Nd > Nc: công trình cần thiết phải có hệ thống chống sét với hệ số:

E = 1 – Nc / Nd cho phép lựa chọn cấp bảo vệ cho công trình Dựa vào hệ số E, cho phép lựa chọn cấp bảo vệ cho công trình (Bảng 2.6)

Bảng 2.6 Bảng lựa chọn cấp bảo vệ

Hệ số E Cấp bảo vệ lựa chọn Dòng xung

ñỉnh (KA)

Khoảng cách tiên ñạo ( m )

- Giảm ñiện áp bước và ñiện áp tiếp xúc

- Giảm ảnh hưởng quá ñiện áp xung lên các thiết bị ñiện tử

Như vậy, với tiêu chuẩn này, việc xác ñịnh xác suất sét ñánh giúp nhà kỹ thuật quyết ñịnh có nên chống sét cho công trình hay không Hơn nữa, thông qua việc tính hệ số E mà xác ñịnh mức ñộ bảo vệ hay cấp bảo vệ cho công trình

30

ðối với các kết cấu không vượt quá 20m về chiều cao, góc giữa cạnh của

hình nón với phương thẳng ñứng tại ñỉnh của hình nón gọi là góc bảo vệ ðối với

các kết cấu cao hơn 20m, góc bảo vệ của bất kì một bộ phận dẫn sét nào cao tới

20m cũng sẽ tương tự như ñối với các bộ phận thu dẫn sét của các kết cấu thấp hơn

20m Góc bảo vệ của bất cứ một bộ phận riêng nào của lưới thu sét, thu sét ñứng

hay nằm ngang, ñược quy ñịnh là 45o (Hình 2.1) Giữa hai hay nhiều hơn bộ phận

thu sét thẳng ñứng ñặt cách nhau không quá 2 lần chiều cao của chúng thì góc bảo

vệ tương ñương có thể ñạt tới 60o so với phương thẳng ñứng

Hình 2.1 Minh họa góc bảo vệ của bộ phận thu dẫn sét Ghi chú:

VC: dây dẫn ñứng

HC: dây dẫn ngang

ZP: vùng bảo vệ

GL: cốt nền

Phương pháp xác ñịnh vùng bảo vệ trên khá ñơn giản và chỉ áp dụng cho hệ

thống kim thu thông thường Tuy nhiên, khi sử dụng thiết bị chống sét tiến tiến,

người ta lại sử dụng phương pháp thể tích hấp thu (Collection Volume)

Phạm vi bảo vệ của ñầu thu phát xạ sớm (nguyên lý ñược trình bày ở chương

4) ñược xây dựng trên phương pháp Collection Volume của tiến sĩ A.J.Eriksson

(1979, 1980, 1987), trong tiêu chuẩn chống sét của Úc (NZS/AS1768-1991)

Phương pháp này ñược mô tả như sau:

ðiện tích Q phân bổ dọc theo luồng ñiện phóng xuống gây sự tăng nhanh

ñiện trường giữa nó và ñiểm tiếp ñất Khi ñạt ñến giá trị ñiện trường tới hạn, ñiểm

tiếp ñất phóng một luồng tiếp nhận lên trên Khoảng cách ở nơi xảy ra sự kiện này

gọi là “khoảng cách sét ñánh” ðiện trường tới hạn tùy thuộc vào cả ñiện tích phóng

xuống và cả khoảng cách ñến ñiểm tiếp ñất Hình 2.2a cho thấy sự hình thành bán

cầu, bán kính là khoảng cách sét dánh, bao quanh một ñiểm tiếp ñất ñơn ñộc, ñiện

tích phóng càng lớn khoảng cách này càng lớn Nếu luồng phóng xuống gần ñến

chu vi của hình cầu, vận tốc của nó có thể mang nó tiến ñến trước ñể tiếp nhận một

31

luồng điện phĩng lên khác Hình 2.2 cũng cho thấy thể tích thu trở nên rộng hơn với

sự tăng điện tích luồng Cĩ nghĩa là dịng điện sét càng lớn thể tích thu càng lớn

Vùng bảo vệ được xây dựng từ một bán cầu phĩng điện và một parabol giới hạn bán cầu đĩ ðường Parabol này được hình thành trên các yếu tố vận tốc và hồn chỉnh thể tích thu (Collection Volume) (Hình 2.2b) Tùy theo mức độ bảo vệ cơng trình, tương ứng với điện lượng hay cường độ sét, mà ta xác định được vùng bảo vệ khác nhau

Mối liên hệ thực nghiệm giữa cường độ sét và điện lượng:

Với I đo bằng KA, Q đo bằng Coulombs (C)

Ví dụ: Một dịng sét cĩ biên độ 6,5KA sẽ ứng với một điện tích tiên đạo xấp

xỉ 0,5C (Bảng 2.7)

Bảng 2.7 Mối liên hệ giữa biên độ dịng sét, điện tích tia tiên đạo và mức độ bảo vệ

ðiện lượng (C) Cường độ sét (kA) Phần trăm bảo vệ Mức bảo vệ

Bán kính vùng bảo vệ tùy thuộc vào độ cao cơng trình, độ cao cột đỡ và mức

độ bảo vệ

a) b)

Hình 2.2 Minh họa phương pháp thể tích thu

bề mặt qủa cầu

R bv

đường đồng khả

năng

vùng thu

R bv

32

2.2 Các bộ phận cơ bản của hệ thống chống sét [2]

Khi lựa chọn vật liệu, cần xem xét nguy cơ bị ăn mòn Kích thước của các bộ phận hợp thành trong một hệ thống chống sét cần ñảm bảo các yêu cầu nêu trong Bảng II.1 và Bảng II.2 ở phụ lục 2

Các bộ phận cơ bản của hệ thống chống sét theo tiêu chuẩn TCXD 46 – 2007 bao gồm:

Bộ phận thu sét có thể là các kim thu sét hoặc lưới thu sét hoặc kết hợp cả

hai Sau ñây là các nguyên tắc cơ bản:

ðối với những dạng mái bằng có diện tích lớn thường sử dụng lưới thu sét khẩu ñộ 10 mét x 20 mét ðối với những mái có nhiều nóc, nếu khoảng cách S giữa hai nóc lớn hơn 10 + 2H, trong ñó H là ñộ cao của nóc (tất cả ñược tính bằng ñơn vị mét) thì phải bổ sung thêm các dây thu sét

ðối với những công trình bê tông cốt thép, bộ phận thu sét có thể ñược ñấu nối vào hệ cốt thép của công trình tại những vị trí thích ứng với số lượng dây xuống cần thiết theo tính toán

Tất cả các bộ phận bằng kim loại nằm ngay trên mái hoặc cao hơn bề mặt của mái ñều ñược nối ñất như một phần của bộ phận thu sét

Lớp phủ ñỉnh tường, ñỉnh mái và lan can bằng kim loại, lưới bằng kim loại ở sân thượng nên ñược tận dụng làm một phần của bộ phận thu sét

2.2.2 Dây xuống

- Khái niệm chung

Chức năng của dây xuống là tạo ra một nhánh có ñiện trở thấp từ bộ phận thu sét xuống cực nối ñất sao cho dòng ñiện sét ñược dẫn xuống ñất một cách an toàn

Tiêu chuẩn này bao hàm cả việc sử dụng dây xuống theo nhiều kiểu bao gồm cách sử dụng thép dẹt, thép tròn, cốt thép và trụ kết cấu thép Bất cứ bộ phận kết cấu công trình nào dẫn ñiện tốt ñều có thể làm dây xuống và ñược kết nối một cách thích hợp với bộ phận thu sét và nối ñất

Trong thực tế, tùy thuộc vào dạng của công trình, thông thường cần có các dây xuống ñặt song song, một số hoặc toàn bộ những dây xuống ñó có thể là một phần của kết cấu công trình ñó

Tóm lại, hệ thống dây xuống khi có thể thực hiện ñược thì nên dẫn thẳng từ

bộ phận thu sét ñến mạng lưới nối ñất và ñặt ñối xứng xung quanh các tường bao

Vị trí và khoảng cách các dây xuống trong công trình lớn thường phụ thuộc vào kiến trúc Tuy nhiên, nên bố trí một dây xuống với khoảng cách giữa các dây là 20m hoặc nhỏ hơn theo chu vi ở cao ñộ mái hoặc ñộ cao nền Công trình có chiều cao trên 20m phải bố trí các dây cách nhau 10m hoặc nhỏ hơn

Dây xuống cần phải ñi theo lối thẳng nhất có thể ñược giữa lưới thu sét và mạng nối ñất Khi sử dụng nhiều hơn một dây xuống thì các dây xuống cần ñược sắp xếp càng ñều càng tốt xung quanh tường bao của công trình

Trong việc quyết ñịnh tuyến xuống, cần phải cân nhắc ñến việc liên kết dây xuống với các chi tiết thép trong công trình (xem mục 2.3)

Sử dụng cốt thép trong kết cấu bê tông làm ñường dẫn xuống phải thỏa mãn các ñiều kiện dẫn ñiện liên tục, phải ñảm bảo tiếp xúc giữa các cốt thép

Khi khả năng bố trí tuyến dây xuống phía bên ngoài là không khả thi hoặc là không thích hợp, các dây xuống có thể ñược bố trí vào trong một ống rỗng bằng vật liệu phi kim loại, không cháy và ñược kéo thẳng xuống ñất

ðiều kiện thực tế không phải lúc nào cũng cho phép các tuyến ñi theo con ñường thẳng nhất Tuy có thể chấp nhận uốn góc nhọn tại một số vị trí, ví dụ như tại các gờ mái, nhưng cần lưu ý các nhánh vòng trong dây dẫn có thể làm ñiện cảm cao giảm xuống nhanh làm cho việc tiêu tán dòng ñiện sét có thể xảy ra phía hở của nhánh vòng Về cơ bản, rủi ro có thể xuất hiện khi chiều dài của dây dẫn tạo ra nhánh vòng vượt quá 8 lần chiều rộng phần hở của mạch

Tại các công trình có các sàn trên ñua ra, cần xét tới nguy cơ lan truyền sét từ dây xuống bên ngoài ñến người ñứng ở dưới phần nhô ra Rủi ro với người là không thể chấp nhận nếu chiều cao h của phần nhô ra nhỏ hơn 3m Với phần nhô ra có chiều cao lớn hơn hoặc bằng 3m thì chiều rộng w của phần nhô ra phải nhỏ hoặc bằng (tính theo m) giá trị tính theo biểu thức:

w ≤ 15(0,9h-2,5) (nếu các dây xuống ñi theo tuyến bên ngoài) Cách xác ñịnh h và w của phần nhô ra ñược minh họa ở Hình 2.3

Việc làm giảm giá trị ñiện trở nối ñất xuống dưới 10 Ω tạo thuận lợi cho việc giảm chênh lệch ñiện thế xung quanh các cực nối ñất khi tiêu tán dòng ñiện sét Nó

có thể làm giảm nguy cơ lan truyền sét vào kim loại trong hoặc trên công trình

Nên sử dụng mạng nối ñất chung cho hệ thống chống sét và mọi thiết bị khác ðiện trở nối ñất trong trường hợp này cần có giá trị thấp nhất ñáp ứng bất cứ thiết bị riêng lẻ nào

Các cực nối ñất cần ñáp ứng yêu cầu cách ly và nên bố trí một cực nối ñất tham chiếu phục vụ cho mục ñích ño kiểm tra

Cực nối ñất có lớp bọc ñể sử dụng bên trong các kết cấu dạng bể chứa

Khi sử dụng các thanh nối ñất, chúng nên ñược ñóng vào ñất ngay bên dưới công trình và càng gần dây xuống càng tốt

35

Khi sử dụng các thanh dẹt, lưới hay bản, có thể chôn chúng bên dưới công trình hoặc trong các rãnh sâu không chịu ảnh hưởng của mùa khô hạn hoặc các hoạt ñộng nông nghiệp Các thanh dẹt nên ñược bố trí hướng tâm từ ñiểm kết nối với dây xuống, số lượng và chiều dài của chúng ñược xác ñịnh sao cho có ñược ñiện trở nối ñất cần thiết

Nếu các hạn chế về không gian ñòi hỏi sử dụng cách bố trí song song hoặc dạng lưới, nên bố trí khoảng cách giữa các thanh song song không nên nhỏ hơn 3m

- ðo ñiện trở nối ñất trong quá trình lắp ñặt

Trong quá trình ñóng các thanh vào ñất, nên tiến hành ño ñiện trở nối ñất Làm như vậy sẽ biết ñược trạng thái ở ñó không cần phải giảm tiếp ñiện trở nữa, ñặc biệt khi ñóng các thanh dài

- Kết nối với mạng nối ñất

ðiểm kết nối với mạng nối ñất phải có khả năng di dời và dễ dàng tiếp cận ñược từ trên mặt ñất ñể thuận tiện cho việc kiểm tra, ño ñạc và bảo dưỡng hệ thống chống sét Nếu nằm dưới mặt ñất, ñiểm kết nối nên ñược ñặt trong một cái hố hoặc cống ñược xây dựng cho mục ñích kiểm tra

2.3 Vấn ñề nối ñẳng thế, khoảng cách an toàn và bảo trì hệ thống chống sét [2][3][14]

2.3.1 Nối ñẳng thế và khoảng cách an toàn

Khi dòng ñiện sét ñi qua dây dẫn sét, có một sự chênh lệch ñiện thế giữa dây dẫn sét với các cấu trúc kim loại ñặt nối ñất bên cạnh Sự phóng ñiện nguy hiểm có thể xảy ra giữa dây dẫn sét và những bộ phận kim loại này

Phụ thuộc vào khoảng cách giữa dây dẫn sét với những bộ phận kim loại nối ñất khác mà việc nối ñẳng thế cần hay không cần thiết Khoảng cách tối thiểu giữa chúng mà không xảy ra sự phóng ñiện nguy hiểm gọi là khoảng cách an toàn

Việc nối ñẳng thế ñược thực hiện tại bất cứ nơi nào có thể, tại ñiểm gần dây dẫn sét nhất của phần kim loại nối ñất, ñể ñảm bảo tạo một ñiện thế cân bằng giữa dây dẫn sét và cấu trúc kim loại bên cạnh Vật liệu dùng nối ñẳng thế là những thanh cân bằng thế hoặc dây cân bằng thế và có thể ñặt trên tường hoặc bên trong công trình Trường hợp không thể thực hiện ñược thì có thể sử dụng các thiết bị chống quá ñiện áp xung

Theo tiêu chuẩn NFC 17-102, sự phóng ñiện nguy hiểm sẽ không xảy ra khi khoảng cách d giữa các bộ phận kim loại của hệ thống chống sét với các cấu trúc kim loại nối ñất khác lớn hơn giá trị S trong ñó S là khoảng cách an toàn và ñược

Trong ñó: N là hệ số phụ thuộc vào số dây dẫn sét của kim thu sét

• N = 1 khi có 1 dây dẫn sét

• N = 0,6 khi có 2 dây dẫn sét

• N = 0,4 khi có 3 dây dẫn sét trở lên

ki : Hệ số phụ thuộc vào vùng bảo vệ

• Ki = 0,1 ñối với công trình có cấp an toàn cao nhất

• Ki = 0,075 ñối với công trình có cấp an toàn trung bình

• Ki = 0,05 ñối với công trình có cấp an toàn tiêu chuẩn

Km : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu giữa dây dẫn sét và các phần

kim loại nối ñất liên quan

• K m = 1 khi giữa chúng là không khí

• Km = 0,5 khi giữa chúng là vật liệu cứng (không phải kim loại)

l : chiều dài dọc theo dây dẫn sét từ ñiểm tính khoảng cách ñến ñiểm nối ñẳng thế gần ñó nhất [m]

37

2.3.2 Kiểm tra và bảo trì

Việc kiểm tra và bảo trì hệ thống chống sét rất là quan trọng bởi vì sau một thời gian hoạt ñộng, cấu trúc của chúng có thể bị thay ñổi do ảnh hưởng của thời tiết, môi trường, do sét ñánh Tính chất cơ và ñiện của hệ thống phải ñược bảo trì ñể ñạt những yêu cầu theo các tiêu chuẩn chống sét

Trong suốt quá trình xem xét ñịnh kỳ hệ thống chống sét, việc ghép nối bất

kỳ bộ phận bổ sung nào mới nên ñược kiểm tra ñể ñảm bảo rằng nó phù hợp với những quy ñịnh của các tiêu chuẩn

+ Các kết quả của việc kiểm tra tất cả các dây dẫn, lắp ghép và mối nối hoặc tính liên tục về ñiện ño ñược

Nếu ñiện trở nối ñất của một hệ thống chống sét vượt quá 10Ω thì nên giảm giá trị này Nếu ñiện trở nhỏ hơn 10Ω nhưng cao hơn ñáng kể so với lần kiểm tra trước, nên ñiều tra nguyên nhân và thực hiện các biện pháp khắc phục cần thiết

Tóm lại, với ñiều kiện nước ta, khi thiết kế hệ thống chống sét cho công trình xây dựng nên áp dụng tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam Các vấn ñề cần áp dụng ñó là: mật ñộ sét ñánh các ñịa phương, những khuyến cáo về kích thước vật liệu chống sét, về vấn ñề liên kết hay cách ly với các bộ phận kim loại, các quy ñịnh nối ñất

38

để ựảm bảo tắnh khoa học và kỹ thuật khi sử dụng các thiết bị chống sét cần áp dụng các thông số kỹ thuật của các nhà sản xuất, các tiêu chuẩn quốc tế: tắnh bán kắnh bảo vệ kim thu, cấp bảo vệẦ đặc biệt Ộựối với công trình sử dụng kim thu lôi tạo tia tiên ựạo thì khi kiểm ựịnh có thể áp dụng các tiêu chuẩn của nước ngoài như tiêu chuẩn của Pháp NFC 17-102Ợ (Nguyễn đình đào, 2004) Còn khi tắnh toán

ựiện trở của hệ thống nối ựất sử dụng tiêu chuẩn Tiếp ựất cho các công trình Viễn thông, yêu cầu kỹ thuật (TCN 68-141: 1995)

Chính vì những lý do trên, yêu cầu ñặt ra cho tác giả ñề tài phải lập trình trên máy tính hỗ trợ cho việc thiết kế hệ thống chống sét một cách nhanh chóng và khoa học Công việc này có thể gọi là viết phần mềm nhỏ hỗ trợ cho nhà kỹ thuật thiết kế chống sét

Chức năng cần có của phần mềm: tính toán lựa chọn cấp bảo vệ chống sét, tính thông số của kim thu sét và tính toán hệ thống nối ñất Ngôn ngữ lập trình tính toán chống sét là MATLAB 6.5

MATLAB (Matrix laboratory) là một phần mềm giúp chúng ta làm tính toán, phân tích số liệu, phát triển các thuật toán, làm mô phỏng và xây dựng mô hình, tạo ra các hiển thị ñồ họa và cung cấp các công cụ giao diện ñồ họa, tức là một chương trình phân tích ma trận, thiết kế ñiều khiển, nhận dạng hệ thống và ñồ thị kỹ thuật Sự kết hợp giữa khả năng phân tích, tính linh hoạt, ñộ tin cậy, sức mạnh ñồ thị làm cho MATLAB thành một phần mềm rất cần thiết cho các kỹ sư và sinh viên

3.1 Cơ sở thuật toán [1][3][8][10][14]

3.1.1 Cơ sở thuật toán xác ñịnh cấp bảo vệ

Áp dụng tiêu chuẩn chống sét của Pháp NFC 17 -102 (xem mục 2.1, chương 2) ñể tính toán cấp bảo vệ cho công trình và ñộ lợi về thời gian của kim thu Căn cứ vào các tiêu chuẩn chống sét hiện hành, khi thiết kế chống sét, trong hầu hết các trường hợp, phải cân nhắc các yếu tố sau:

- Công trình có nhiều người làm việc

- Dịch vụ trong công trình hoạt ñộng liên tục

- Mật ñộ sét tại vùng xây dựng công trình

- Chiều cao công trình

- Vị trí, cấu trúc công trình

h : chiều cao thực kim thu tính từ mặt bằng bảo vệ

D = 20m với cấp bảo vệ cao nhất (cấp I)

D = 45m với cấp bảo vệ trung bình (cấp II)

D = 60m với cấp bảo vệ tiêu chuẩn (cấp III) Nếu biết trước bán kính bảo vệ của kim thu, ta có thể tìm ∆L hoặc ∆T

Từ (3.1) suy ra phương trình :

∆L2 + 2D∆L + h(2D-h) – Rp2 = 0 (3.2) Nghiệm ∆L(dương) của phương trình (3.4) là :

∆L = - D +√ D2 – [h(2D-h)-Rp2] [m]

Do ñó ∆T = ∆L/106

Từ những cơ sở lý thuyết trên, chương trình xác ñịnh cấp bảo vệ và thông số kim thu sét ñược lập trình theo lưu ñồ ở mục 3.2

3.1.2 Cơ sở lập trình tính toán ñiện trở tiếp ñất

Việc tính toán ñiện trở hệ thống nối ñất dựa vào tiêu chuẩn TCN 68-141:

h l l l

R

4

2 4 ln

2ρπ [Ω] (3.3) Trong ñó :

ρ: ñiện trở suất của ñất [Ωm]

l : chiều dài của cọc tiếp ñất [m]

h : khoảng cách từ mặt ñất ñến ñầu phía trên của ống [m]