PHÓNG ĐIỆN SÉT VÀ THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT ĐỀ THI CUỐI KÌ

1. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH PHÓNG ĐIỆN SÉT 2. THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT. 3. NHỮNG ẢNH HƯỞNG CỦA SÉT TỚI HỆ THỐNG ĐIỆN Bề mặt trái đất bị hâm nóng thường xuyên của năng lượng mặt trời > gia tăng quá trình bốc hơi và gây mất ổn định không khí trong thời gian ngắn > đám mây, • Chuyển động đối lưu mạnh của 2 dòng không khí nóng và lạnh tạo thành “tháp mây”, đồng thời giải thoát lượng nhiệt ẩn hóa hơi của dòng không khí nóng làm gia tăng chuyển động theo

PHÓNG ĐIỆN SÉT VÀ THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT

Biên soạn và trình bày: TS Nguyễn Đức Tường

Tầng đối lưu Tầng Bình lưu

Tầng giữa

Tầng nhiệt

Tầng đối lưu Tầng Bình lưu Tầng giữa Tầng nhiệt

 Cơ chế hình thành đám mây dông:

• Bề mặt trái đất bị hâm nóng thường xuyên của năng lượng mặt trời -> gia tăng quá trình bốc hơi

và gây mất ổn định không khí trong thời gian ngắn -> đám mây,

• Chuyển động đối lưu mạnh của 2 dòng không khí nóng và lạnh tạo thành “tháp mây”, đồng thờigiải thoát lượng nhiệt ẩn hóa hơi của dòng không khí nóng làm gia tăng chuyển động theophương thẳng đứng

 Cơ chế hình thành đám mây điện:

siêu lạnh và các tinh thể băng do va

chạm thành các hạt nhỏ,

• Quá trình đứt gãy liên kết sẽ sản sinh

ra nhiều các điện tử dư và các ion

dương trong đám mây

• Các điện tích âm được tích lũy trong các hạt tuyết (graupel- hạt nước bị đông lạnh và liên kết với

• Các ion dương có xu hướng tích lũy trong các tinh thể băng nhỏ (đa phần) ở phía trên và phíadưới (một phần nhỏ) của tháp mây dông, phân bố trong vùng có nhiệt độ tương ứng khoảng -15

oC đến -40 oC và -5 oC

 Các giai đoạn phóng điện sét

Phóng điện tiên đạo

Kênh dẫn điện tích dương

Phát triển ngược từ phía mặt đất lên đám mây

 Các giai đoạn phóng điện sét

• Phóng điện tiên đạo bước (Stepped leader): khi đám mây tích lũy điện tích từ 10-30kV/cm, gây

ion hóa không khí mạnh tạo thành dòng phát triển về phía mặt đất (~100A)

• Phóng điện kế tục (Pilot Streamer): tiếp tục phát triển với vận tốc trung bình khoảng từ 105

m/s-2.106m/s,

• Phóng điện ngược (Return Stroke): tia tiên đạo

cách mặt đất khoảng 100-200 m, điện trường

giữa đầu tia tiên đạo và điểm tập kết các điện

tích trái dấu phía mặt đất tăng đột ngột và gây

ion hóa mãnh liệt không khí, hình thành dòng

phóng điện mặt đất-đám mây, tốc độ phát triển

~30.106 m/s, ~ 24 kA

• Phóng điện tiên đạo mũi nhọn (Dart Leader): là

1 dạng phóng điện lặp lại, phát triển sau và cùng

kênh với phóng điện ngược, tốc độ ~10.106 m/s

Positive upward connecting

leader (~400 m)

Negative downward leader

A downward negative flash terminating

on the 440-m Guangzhou International

Finance Center, China Adapted from

Lu et al (2013).

 Khoảng cách định hướng_S (Khoảng cách phóng điện)

triển lên (điểm bị sét đánh).

S = 8.IS0,65 (IEEE 1993&2012) [5, 6]

Cách tính của IEEE, Wagner và Whitehead được dùng phổ biến hiện nay.

[3] Wagner, C F., et al., “Electrical Transmission and Distribution Reference Book”, 4th , Westinghouse Electric Corp., 1964.

[4] Whitehead, E R., “CIGRE Survey of the Lightning Performance of Extra-High-Voltage Transmission Lines”, pp 63-89, 1974.

[5] IEEE, “Estimating lightning performance of transmission lines II-Updates to analytic models, IEEE Transactions on Power Delivery, 8, 3, 1254-1267, 1993.

[6] Substations Committee of the IEEE, “IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations”, American National Standards Institute, September 1996 [7] Suzuki, et al., “Discharge path model in model test of lightning strokes to tall mast”, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems 7, 3553-3562, 1981.

 Khoảng cách định hướng_S (Khoảng cách phóng điện)

Tia tiên đạo S

+ + +++

 Khoảng cách định hướng_S (Khoảng cách phóng điện)

Theo IEEE 998-2012, từ khoảng cách định hướng xác

0 100 200 300 400 500

Suzuki

Cách tính của IEEE, Wagner và Whitehead được dùng phổ biến hiện nay.

 Tham số của phóng điện sét là một số liệu mang tính ngẫu nhiên, phản ánh các cơ chế hìnhthành và phóng điện của những trường hợp cụ thể.

 Phụ thuộc vào quá trình và qui mô hình thành đám mây điện, đặc thù vùng khí hậu, cũng nhưkhả năng tập trung điện tích trái dấu phía mặt đất

 Như vậy, tham số của phóng điện sét chỉ được xác định qua những số liệu thống kê bằngcách đo đạc nhiều năm trên thực địa và từ đó xây dựng những hàm thống kê để tính toánmột cách gần đúng nhất

Tham số của phóng điện sét có ảnh hưởng trực tiếp tới hệ thống điện bao gồm:

1 Một số giá trị của phóng điện sét.

o Biên độ dòng điện 2 kA-270 kA, trung bình 24 kA,

o Dòng điện sét phát triển từ đám mây có thể mang cực tính dương (positive) hoặc âm(negative) phụ vào sự tích lũy, cấu trúc của đám mây điện

o Phát triển từ 0-Imax trong khoảng vài s tới 20 s, ứng với giai đoạn phóng điện ngược

o Giảm dần từ Imax-0 trong khoảng thời gian từ vài chục tới vài trăm s, ứng với giai đoạn dịch chuyển các điện tích về phía đối diện

4 Trị số trung bình của đỉnh dòng điện sét (I P )

Tác giả/Tổ chức Đối tượng nghiên cứu Đỉnh dòng điện (kA) Độ dốc (kA/ s)

Theo kết quả nghiên cứu của nhóm Berger, Anderson và Eriksson, thì các tham số của phóng điện âm:

Giá trị trung bình của tham số:

[10] Berger, K., Anderson, R B., and Kroninger, H., “Parameters of lightning flashes”, Electra, no 41, 1975.

[11] Anderson, R B., and Eriksson, A J., “Lightning parameters for engineering application”, Electra, no.69, 1980.

2

M

x ln

2 1

ex.2

1)

x(

M là phân bố trung bình của hàm logarit.

 là sai lệch tiêu chuẩn logarit.

x là tham số cần xác định xác suất, có thể là dòng điện sét (I) hay độ dốc đầu sóng (S).







Tham số phân bố log chuẩn (M, )

Tham số Phóng điện ban đầu Phóng điện lặp lại

Phân bố thống kê biên độ dòng điện sét theo IEEE [9]

[8] CIGRE 63,‘Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance ofTransmission Lines’, 1991.

[9] Benoît de Metz-Noblat, ‘lightning and HV electrical installations’, ECT 168 ,1994.

5 Phân bố dòng điện sét P(I S )

I S (kA)

0 0.2

) I (

s I S





] 8

[ )

31 / I ( 1

1 )

I ( P

6 , 2 S

S





] 10

[ )

24 / I 1

1 )

I P

6 , 2 S

S





5 Phân bố dòng điện sét P(I S )

Số liệu của Berger

10 ) S (

S 25

) 24

S ( 1

1 )

S ( P

4





 Cường độ hoạt động của sét (Keraunic Level, Keraunic Number, Isokeraunic Level).

Số ngày (giờ) dông sét trung bình năm_T d

 Mô tả mức độ hoạt động của dông sét trong một khu vực, ký hiệu T d (ngày/năm).

 Được đo bằng các máy đếm sét trong thời gian dài, liên tục tại các trạm khí tượng và xác định số ngày dông sét trung bình trong 1 năm Phụ thuộc vào vùng khí hậu và lãnh thổ, thay đổi từ 4 đến 80 (ngày/năm).

 Hoạt động mạnh ở vùng khí hậu nhiệt đới và giảm ở những vùng ôn đới và xích đạo.

VD như Indonesia trung bình khoảng 270 (ngày/năm), Pháp trung bình khoảng 20 (ngày/năm)…

[12] Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, ‘QUY CHUẨN XÂY DỰNG VIỆT NAM SỐ LIỆU ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN DÙNG TRONG XÂY DỰNG’, 211-212, 2008.

[13] Isaksson L, Wern L (2010) Åska i Sverige 2002-2009 Meteorologi Nr 141 (in Swedish).

Bản đồ phân bố ngày dông [13]

[14] IEEE Std 99,“IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substations”, 2012.

Bản đồ phân bố ngày dông [14]

1 Đồng bằng ven biển miền Bắc 81,1 215,6 6,47 8

2 Miền núi trung du miền Bắc 61,6 219,1 6,33 7

3 Cao nguyên miền Trung 47,6 126,21 3,31 5; 8

4 Ven biển miền Trung 44,0 95,2 3,55 5; 8

5 Đồng bằng miền Nam 60,1 89,32 5,37 5 ; 9

Cường độ hoạt động của dông sét tại các khu vực

Gia Sàng-Thái Nguyên, Phú Thụy và Nghĩa Đô (Hà Nội), Mộc Châu (Sơn La), Phú Yên, Bình Thuận, Bạc Liêu.

Khả năng định vị bán kính đến 400 km.

 Mật độ sét_N d (lần/km 2 năm).

[15] L D Nhan , T V Ap‘Hội nghị Quốc tế về Nghiên cứu sét và Bảo vệ chống sét’, p61, 1997.

[16] A Haddad, D Warne‘Advances in High Voltage Engineering’, Institution of Engineering and Technology, London, UK, 40, 2007.

[17] Anderson, R.B., and Eriksson, A.J., ‘Lightning parameters for engineering applications’, Electra, pp 65–102, 1980.

[18] Anderson, et al.‘Lightning and thunderstorm parameters’, IEE Conf Publ 236, pp 57–61, 1984.

1 Hiệu ứng quang

Sự ion hóa không khí do dòng sét kích hoạt nhiều hạt sáng, hoặc photon, có thể tạo ra hìnhảnh trên võng mạc của người quan sát

Dòng điện sét sinh ra lực điện động lớn làm tăng áp suất trong kênh sét tới 3 atm, quá trìnhgiãn nở đột ngột sau phóng điện sét tạo ra âm thanh lớn

Điện từ trường lớn trong khe sét tạo ra dòng điện và điện áp cảm ứng trên các vật dẫn ở gần,sinh ra lực điện từ có thể làm biến dạng hay phá hủy vật dẫn

Hay ‘hiệu ứng Joule’ của dòng điện sét có thể đốt nóng các vật liệu tới điểm nóng chảy Có thể

phá hủy hoặc gây cháy nổ…

NHỮNG ẢNH HƯỞNG CỦA SÉT TỚI HỆ THỐNG ĐIỆN

 Gây phóng điện trên cách điện đường dây,

 Tạo ra sự cố ngắn mạch chạm đất 1 hoặc nhiều pha trên đường dây và thanh góp TBA,

 Gây nhiễu loạn đường dây thông tin,

 Phá hủy cách điện của đường dây và thiết bị điện do quá điện áp,

 Gây gây hư hỏng các cuộn dây do dòng điện sinh ra lực điện động và nhiệt độ lớn,

 Làm gián đoạn cung cấp điện của đường dây và trạm biến áp,

 Phá hủy các thiết bị điện tử trong trạm biến áp và nhà máy điện do quá điện áp cảm ứng.

=> Cần phải bảo vệ chống sét cho các phần tử của Hệ thống điện!!!