Chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích

Dòng điện sét tạo ra một từ trường rất mạnh xung quanh hệ thống dây dẫn thoát sét từ cọc tiếp sét đến cọc tiếp đất, hình thành nên những điện áp có biên độ lớn trong khoảng thời gian rất

DAI HOC DA NANG

NGUYEN TRAN HUYNH

CHONG SET BANG PHUONG PHAP

CHUYEN DICH DIEN TICH

Chuyén nganh: MANG VA HE THONG DIEN

Mã số: 60.52.50

TOM TẮÁT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUAT

Đà Nẵng - Năm 2012

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS LÊ KIM HÙNG

Phan bién 1: PGS.TS NGO VAN DUONG

Phan bién 2: TS NGUYEN BE

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 10 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

3

MO DAU

Dông sét là hiện tượng thời tiết kèm theo sắm, chớp xảy ra

Cơn dông được hình thành khi có khối không khí nóng âm chuyển

động thăng Cơn dông có thể kéo dài từ 30 phút đến 12 giờ và có thể

trải rộng từ vài chục đến vài trăm km

1 LÝ DO CHỌN ĐÈ TÀI

Sét đã gây thiệt hại rất lớn cho nhiều ngành, cả lớn về vật

chất và con người Do đó việc phòng chống sét trở thành vấn đề bức

bách cho nhiều ngành và được rất nhiều người quan tâm Đề tài

nghiên cứu này nhằm tìm ra giải pháp tối ưu để bảo vệ các công trình

trước các tác hại do dông sét gây ra

Bảo vệ các công trình bằng cách ngăn không cho các tia sét

đánh trực tiếp xảy ra, không phải là ý tưởng hoàn toàn mới Nó chính

là ý tưởng nguyên thủy của Franklin: phân tán điện tích của các đám

mây bão băng cách lắp đặt các cọc nhọn bằng sắt, các cọc sắt này dẫn

được hoàn toàn dòng điện tích đi khỏi khu vực có thể gây ra tia sét

Trong suốt 250 năm qua các cọc dẫn sét Franklin da thanh

công trong việc bảo vệ các công trình khỏi các hư hỏng do sét gây ra

Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy hệ Franklin không cho hiệu quả

chống sét 100%, tuy sét đánh vào kim thu sét nhiều hơn và hiệu quả

của phương pháp chống sét là khá tốt, song nhiều kết quả thực

nghiệm cho thấy sét có thể bỏ qua kim thu sét mà đánh trực tiếp vào

công trình mặc dù kim thu sét được thiết kế rất cao Ngay cả khi sét

đánh vào kim thu sét thì dây nối đất vẫn không hiệu quả cho việc dẫn

các thành phần tần số cao của tia sét khi có các vật kim loại ở gần

Các công trình có chứa các thiết bị nhạy cảm với sét như các thiết bị

điện tử sẽ bị hỏng hóc Đối với các thiết bị nhạy cảm này cần phải có

những thiết bị chống sét chuyên dụng

4

Phương pháp chống sét truyền thống trong nhiều năm qua đã chứng tỏ khả năng bảo vệ của nó, tuy nhiên đối với yêu cầu cao như

hiện nay (các thiết bị điện tử, nhà máy hạt nhân, kho đạn dược ) thì

những nhược điểm nêu trên sẽ có thể gây thiệt hại khôn lường

Trong 4 thập niên gần đây, do bùng nỗ công nghệ vi mạch điện tử và máy tính, thì sét cảm ứng (thường được gọi là ảnh hưởng thứ hai của sét) trở thành van dé duoc quan tâm hàng đầu trong các

công trình hiện đại Dòng điện sét tạo ra một từ trường rất mạnh xung

quanh hệ thống dây dẫn thoát sét từ cọc tiếp sét đến cọc tiếp đất, hình thành nên những điện áp có biên độ lớn trong khoảng thời gian rất bé,

đã phá hủy hay làm hỏng hóc nhiều thiết bị điện tử nhạy cảm được

lắp đặt lân cận đó Việc ngăn cán các tia sét đánh vào các công trình

là một trong số những biện pháp loại bỏ được những hư hỏng cho thiết bị điện tử do các ảnh hưởng thứ hai của sét

Hiện nay, tại các nước tiên tiễn trên thế giới người ta đang ứng dụng thiết bị chống sét sử dụng phương pháp chuyển dịch điện tích và đã thu được những thành công to lớn trong việc ngăn ngừa sét đánh trực tiếp vào các công trình quan trọng

Ở Việt Nam hiện nay thiết bị này đã có mặt trên thị trường

Tuy nhiên chúng ta chưa có một hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh về công nghệ này cũng như các phương pháp, công thức để tính toán, thiết kế hệ thống chống sét này Đây là một công nghệ rất mới, nếu nghiên cứu thành công thì khả năng ứng dụng rất cao và có thể sẽ thay thế công nhệ chống sét cũ để bảo vệ cho các công trình quan trọng ở Việt Nam

Trên đây là các lý do để tôi quyết định chọn để tài nghiên cuu nay

2 ĐÓI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống chống sét sử dụng phương pháp chuyển dịch điện

tích

2.2 Phạm vỉ nghiên cứu

Nghiên cứu thiết hệ thống chống sét chuyển dịch điện tích

CTS (Charge Transfer System), cụ thể là tính toán thiết kế hệ thống

tiếp địa, dây dẫn và bộ tạo ion Tính toán số đỉnh nhọn cần thiết của

bộ tạo ion để trung hòa điện tích cảm ứng trên mặt đất Tạo lớp điện

tích không gian giữa đám mây và công trình cần bảo vệ để làm giảm

cường độ điện trường đến một trị số tối thiểu để không còn khả năng

phóng điện sét xuống công trình cần bảo vệ

3 Y NGHIA KHOA HOC VA TINH THUC TIEN CUA DE TAI

3.1Y nghia khoa hoc

- Tổng hợp một cách hoàn chỉnh lý thuyết về dông sét

- Ứng dụng phương pháp tính toán mới để bảo vệ chống sét

cho công trình

- Ứng dụng lý thuyết trong lĩnh vực công nghiệp điện tử và

chế tạo áp dụng để chống sét cho công trình xây dựng

3.2Ý nghĩa thực tiễn

- Mục tiêu nghiên cứu của để tài xuất phát từ thực tế, tình

hình phức tạp của dông sét ở Việt Nam Ảnh hưởng của sét cảm ứng

đối với các công trình có các thiết bị điện tử nhạy cảm Do đó kết quả

sẽ có ý nghĩa thực tiễn và có thể áp dụng vào thực tế

- Có khả năng ứng dụng rất cao, có thể ứng dụng để thay thế

hệ thống chống sét cổ điển để bảo vệ cho các công trình quan trọng

- Nâng cao khả năng bảo vệ của công trình trước tác hại của

sét

4 BO CUC LUAN VAN

Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của đề tài

được biên chế thành 4 chương:

Chương l1: Tình hình dông sét ở Việt Nam và các phương pháp phòng chống sét

Chương 2: Chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích

Chương 3: Phân tích hiệu quả chống sét của CTS

Chương 4: Tính toán thiết kế hệ thống chống sét sử dụng phương pháp chuyền dịch điện tích

CHƯƠNG 1

TÌNH HÌNH DÔNG SÉT Ở VIỆT NAM VÀ

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHÓNG SÉT

1.1 TÌNH HÌNH DÔNG SÉT Ở VIỆT NAM

Việt Nam là nước nam ở tâm dông Châu Á, một trong ba tâm dông trên thế giới có hoạt động dông sét mạnh Mùa dông ở Việt Nam tương đối dài bắt đầu từ tháng 4 và kết thúc vào thánh 10 hàng năm Số ngày dông trung bình khoảng 100 ngày/năm và số giờ dông trung bình khoảng 250 giờ/năm Ở Việt Nam có khoảng 2 triệu cú sét đánh xuống đất trong 1 năm Theo số liệu thông kê chưa đây đủ của

Viện Vắt lý Địa cầu thực hiện năm 2004 Cả nước có 820 vụ sét đánh

gây thiệt hại nhiều tỉ đồng, làm gián đoạn dịch vụ viễn thông, điện

lực

1.2 SỰ HÌNH THÀNH DÔNG SÉT

Sự hình thành của đông : một điểm đánh thủng và đám mây bắt đầu gởi các điện tích đi xuống thông qua đường ion hóa khí

quyển gọi là tiên đạo vạch Nhiều tiên đạo vạch bắt đầu truyền xuống đất theo nhiều hướng, tìm kiếm chỗ điện tích đất tích tụ lớn nhất

7

trong khu vực Các điện tích này dịch chuyển từng bước khoảng

50m, dừng lại, tìm kiếm điện thể tốt nhất, sau đó lại dịch chuyển tiếp

Các bước và các hướng dịch chuyển này làm cho sét có dạng hình

răng cưa

1.3 CÁC GIAI ĐOẠN PHÓNG ĐIỆN SÉT

1.3.1 Giai đoạn 1: Giai đoạn phóng điện tiên đạo

Dưới tác dụng của điện trường của điện tích âm trên đám

mây và trong kênh tiên đạo vùng đất bên dưới sẽ có sự tập trung các

điện tích cảm ứng trái dấu Vị trí tập trung điện tích cảm ứng có thê

ngay bên dưới đám mây hay ở những nơi có điện dẫn cao Trong giai

đoạn đầu hướng phát triển của các tia tiên đạo là ngẫu nhiên tuân thủ

theo nguyên tắc là phát triển theo hướng có cường độ điện trường cao

nhất

Khi kênh tiên đạo đạt đến một độ cao nhất định, gọi là độ cao

định hướng, thì hướng phát triển của tia tiên đạo sẽ chịu ảnh hưỡng

của các vật bên dưới mặt đất nơi có sự tập trung điện tích cảm ứng

cao Do đó vị trí đỗ bộ của đòng sét có tính chọn lọc

1.3.2 Giai đoạn 2: Giai đoạn phóng điện chính hay phóng điện

ngược

Khi kênh tiên đạo xuất phát từ đám mây dông tiếp cận mặt

đất hay kênh tiên đạo ngược Cường độ điện trường trong khoảng

cách khí tăng cao gây ion hóa mãnh liệt không khí dẫn đến sự hình

thành dông plasma mới Các điện tích cảm ứng dưới mặt đất tràn lên

trung hòa các điện tích trong kênh tiên đạo từ đám mây Các điện tích

cảm ứng này tiếp tục đi theo đường của phóng điện tiên đạo ban đâu,

tiếp tục hướng lên đám mây, hình thành nên kênh phóng điện chính

8

1.3.3 Giai đoạn 3: Giai đoạn kết thúc

Khi kênh phóng điện chính lên đến đám mây dông, các điện

tích cảm ứng từ mặt đất lên theo, tràn vào và trung hòa các điện tích

trái dấu trong đám mây, các điện tích âm còn thừa trên đám mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống mặt đất, dòng sét có giá trị giảm

dan.[1]

1.4 CAC DANG PHONG DIEN SET

Dựa trên thực tế, phóng điện sét được phân thành các dạng

sau đây:

- _ Phóng điện bên trong đám mây

- _ Phóng điện sét mây — đất

- Phóng điện mây - mây

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHÓNG SÉT

1.5.1 Phương pháp dùng lồng Faraday

Là lồng kim loại bao kín khu vực bảo vệ Theo lý thuyết sóng điện từ thì đây là phương pháp lý tưởng để phòng chống sét 1.5.2 Chống sét theo phương pháp cỗ điển

1.5.2.1 Kim thu sét Franklin

Vào năm 1752 nha khoa hoc nguoi MY Benjamin Franklin da phát hiện ra nguyên tắc chống sét cơ bản này Về cấu tạo bao gồm

các bộ phận sau:

+ Kim thu sét + Cột gắn kim thu sét + Dây dẫn truyền năng lượng sét xuống đất + Bộ phận nối đất

1.5.2.2 Đai và lưới thu sét

Đai và lưới thu sét dùng để chống sét đánh thăng có thể làm bằng thép đẹt hay tròn tiết điện không được nhỏ hơn 35 mm” Đai và

lưới cho phép đặt bên dưới lớp chống thấm hay lớp cách nhiệt của

nó

1.5.2.3 Dây thu sét

Dây thu sét được dùng để bảo vệ những công trình có dạng

hẹp và kéo dài, cụ thể như các đường dây dẫn điện trên không, có

chiều dài đáng kể

1.5.3 Chống sét theo phương pháp phi cổ điển

1.5.3.1 Hệ thống phát xạ sớm

Đó là các loại kim thu sét có đặc tính phát ra dòng mỗi khá

sớm khi điện trường khí quyền chưa đạt đến trị số tới hạn nghĩa là nó

chủ động đón bắt dòng phóng điện sét ở một điểm nào đó trong

không gian cách xa công trình mà nó bảo vệ

1.5.3.2 Hệ thống chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện

tích (CTS)

Hệ thống chuyển dịch điện tích nhằm ngăn ngừa sự hình

thành tia sét Khác với hệ thống chống sét trực tiếp dùng điện cực

Franklin hay điện cực phát xạ sớm, hệ thống này chống sét bằng cách

liên tục giảm cường độ điện trường giữa mặt đất và đám mây dông

xuống dưới khả năng xuất hiện tia tiên đạo do đó không xảy ra sét

Hệ thống chuyển dịch điện tích hoạt động theo nguyên lý

phóng điện điểm dựa trên hiện tượng corona, với hàng nghìn điểm

nhọn băng kim loại tạo ra ion bên trên hệ thống và ngăn ngừa sự hình

thành tiên đạo sét

1.6 KẾT LUẬN

Qua chương 1 chúng ta thấy răng đối với các thiết bị điện tử

nhạy cám thì ảnh hưởng của dòng điện sét và điện áp của nó gây ra là

rất lớn Đối với hai hệ thống chống sét dùng hệ Franklin và hệ thống

phát xạ sớm sẽ có dòng sét chảy trên hệ thống thoát sét và có thể có

một phần dòng điện sét chảy vào các thiết bị nhạy cảm Đông thời khi dòng sét chảy trên cáp thoát sét sẽ gây ra ảnh hưởng thứ cấp (cảm ứng) Xung quanh dây dẫn thoát sét hình thành những điện áp biên

độ lớn trong thời gian rất bé có thể làm hỏng các thiết bị điện tử nhạy cảm

CHƯƠNG 2

CHÓNG SÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP

CHUYEN DICH ĐIỆN TÍCH

2.1 CO SO LY THUYET CHUYEN DICH DIEN TICH 2.1.1 Lý thuyết phóng điện điểm

Phương pháp phân tán điện tích sử dụng nguyên lý của lý thuyết phóng điện điểm, còn gọi là phân tán hoặc giảm nhỏ sự tích lũy các điện tích tĩnh Phương pháp này chủ yếu sử dụng trong các ngành công nghiệp điện tử và chế tạo để kiểm tra sự tích lũy các điện tích tĩnh có thể gây nhiễu hoặc gây nguy hiểm đối với các tổ hợp điện

tử nhạy cảm, nó đã được công nhận và sử dụng rộng rãi với sự thành

công to lớn Mục đích duy nhất của sản phẩm phân tán tĩnh điện là giảm nhỏ sự tích lũy điện tích, do đó ngăn ngừa hồ quang điện hoặc dòng điện có thể gây nguy hiểm

Phương pháp này được áp dụng để chống sét cho các công trình bằng cách chế tạo sản phẩm có thể lắp đặt trên các công trình xây dựng để giảm nhỏ sự tích lũy điện tích tro

+ f+ +

: + ao Sa + ; TE)

Hình 2.1: Phóng điện điểm Hình 2.2: Điện cực phân tán

II

2.1.2 Sự phân phối điện tích

Một điểm riêng lẻ đơn độc, ví dụ trên một kim thu sét đạt

được một điểm bảo hòa nó cũng không thể phân tán điện tích với một

tốc độ đủ nhanh và không giám được sự tích tụ điện tích Các vùng

này khi đó trở thành các điểm tạo ra các tia ngược, do đó sẽ thu hút

sét đánh vào chúng

Khi quy trình này được mở rộng ra với hàng ngàn điểm trong

một điện cực phân tán (hình 2.2) sự tiêu tán các ion sé duoc mo rong

nhiều lần so với một điểm đơn lẻ Kết quá là các điện tích trên mặt

đất bị trung hòa và không đủ năng lượng điện có khả năng thu hút sét

nữa Không hình thành tia ngược, các tiên đạo phân cấp sẽ tìm mục

tiêu khác trội hơn.{ l 1]

2.2 MO HINH HE THONG CHONG SET CHUYEN DICH

ĐIỆN TÍCH

Hệ thông chống sét chuyển dịch điện tích bao gồm các bộ phận

sau:

- Bộ tạo ion: Dựa trên nguyên lý phóng điện điểm, được chế

tạo bằng vật liệu thép không rỉ có hàng nghìn điểm nhọn

- Bộ tập trung điện tích trong đất: Được làm bằng dây đồng

và các cọc sắt tiếp đất phải đảm bảo thu hút hết các điện tích xuất

hiện trên mặt đất bị nhiễu điện do các đám mây dông tích điện tạo ra

Khi các điện tích dịch chuyển vào vùng báo vệ, nó được bộ tập trung

điện tích dẫn lên bộ tạo ion

- Dây dẫn điện tích: Phải đảm bảo có điện trở thấp đề dẫn các

điện tích từ bộ tập trung điện tích trong đất đến bộ tạo ion Dây dẫn

điện tích trong hệ thống phân tán điện tích khác với dây thoát sét

trong hệ thống thu lôi Franklin là để dẫn dòng điện có cường độ thấp

12

do sự địch chuyển các điện tích bị cảm ứng trong đất lên bộ tạo ion

bằng con đường ngắn nhất

2.3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

Điện tích dương chủ yếu tập trung ở đỉnh của đám mây, điện tích âm tập trung ở điểm đáy của đám mây Và một lượng điện tích

đương cục bộ nằm ở vị trí thấp hơn vị trí của điện tích âm một chút

Trường điện tích tại mặt đất được tính theo công thức:|4| E=c 20H» + 20 o¢ A noe 24 ros! Iyos - (23)

0 3 3

47e,(H”,,, +D” > Ane, (H”„„+Д > 4/8 („+ 2

Ở đây: £; là độ điện thẩm chân không

Q, và Q„¿; là điện tích dương và âm của đám mây bão dpo là điện tích dương nằm ở dưới của đám mây bão

Hyos» Hneg, Va Apos là chiều cao của các loại điện tích tương ứng

so với mặt đất và D là khoảng cách theo chiều ngang tính từ một

điểm tại mặt đất đến điểm gan nhất của đám mây bão mang điện tích,

Dưới các ảnh hưởng của trường điện từ tăng lên một cách đột biến, việc ion hoá vùng không khí xung quanh các điểm nhọn tăng lên

một cách nhanh chóng, dẫn đến việc hình thành vùng không gian điện tích

dương xung quanh các điểm nhọn Sự xuất hiện của một lượng điện tích

phụ gần với mặt đất làm thay đổi điện trường tổng E¿ Một lượng điện tích mới được chèn vào điện trường tổng, mà nguyên nhân chính là do sự hiện diện của điện tích không gian q phương trình (2.3) được viết lại thành phương trình (2.4) Phương trình này có thể được sử dụng để tính toán giá

trị mới của trường điện nh với sự hiện diện của điện tích dương thêm vào q„ tại độ cao h,„ so với mặt đất

4.(H,+Dÿ 4g(, +ỞY %m(.+ỞY 4m(.+Ởý

Việc tính toán trường điện từ tại mặt đất theo phương trình

(2.4) được xem là chưa hợp lý trong một số trường hợp khởi đầu cho

bước phóng điện sét Vì vậy, phương trình (2.4) phải được thay đổi,

bằng cách phải tính đến thành phần điện tích âm Q;¿;, đang di chuyển

xuống NQnee CO thé được xác định tại các thời điểm trong quá trình

khởi động phóng điện sét và được tính theo phương trình (2.4):

AQ 06 = PF reo +HH,) hoặc AQ, neg = PF ico +v*t ) (2.5)

Ở day /Ø ¡ là mật độ điện tích phóng điện sét (giả thiết là 1

hăng số), Hr là độ cao của điểm bắt đầu phóng điện sét tại thời điểm

t, và v là tốc độ trung bình của tia phóng điện sét

Thay vào phương trình (2.4), ta sẽ có phương trình (2.6) để

tinh Ep va E;:

20„H,„ 240, =AO,)H„, 241,1,»

(2.6)

2 3 ATE, 2 2 5 2 5

2.4 KET LUAN

Qua nghiên cứu chống sét bằng phương pháp chuyển dịch

điện tích chúng ta nhận thấy rằng: điểm kỹ thuật chính yếu đề thiết kế

một hệ thống ngăn cản các tia sét đánh trực tiếp vào một vùng cần

được bảo vệ là việc tính toán số đỉnh nhọn và dạng hình học của

chúng để tạo ra điện tích không gian che chăn cho kiến trúc cần được

bảo vệ

CHƯƠNG 3 PHAN TICH HIEU QUA CHONG SET CUA CTS

3.1 SU TUONG TAC GIUA KENH SET VA CTS

Phần này trình bày tính toán điện trường tổng tại mặt đất là kết quả của sự tương tác giữa tiên đạo bậc di chuyển theo chiều dọc xuống dưới và không gian điện tích được tạo ra bởi CTS

3.1.1 Mô tả của kênh sét và giả định

Đề đơn giản cho việc tính toán lượng điện tích này được bỏ qua Các dữ liệu trung bình điển hình cho độ lớn điện tích và chiều cao của các khối điện tích được thê hiện trong bảng sau :

Bảng 3.1 : Dữ liệu trung bình của đám mây dông một số quốc gia

trên thế giới

Country Qpos, C Hpos, m Qneg, C Hneg, m

Viéc phan phối điện tích dọc theo chiều dài tia tiên đạo cũng được giả định Với mật độ điện tích cụ thể ImC/m, 1.5mC/m, 2mC/m

tiên đạo bậc thì điện tích âm trong đám mây dông giảm xuống 5C, 7.5, 10C tương ứng (giả sử không có phân nhánh)

Chiều cao của CTS được giả định bằng 20m Trong tính toán này, độ lớn của cường độ điện trường đủ để đánh thủng khoảng cách

không khí liên tục được giả định bằng 500kV/m

3.1.2 Sự tương tác giữa kênh sét và CTS

Cường độ điện trường tong tại mặt đất được tính theo biểu

thức sau đây:

Đưyya total ~~ =—E,o + Eg +E, leader AE o ~ hs (3.1)

15

Trong đó:

Exo : cường độ điện trường tạo ra bởi các điện tích dương

Eo : cường độ diện trường tạo ra bởi các điện tích âm

„„ : cường độ điện trường tạo ra bởi tia tiên đạo bậc,

AE_, : cường độ điện trường suy giảm bởi các điện tích âm

chảy vào tia tiên đạo

Fx„;; : cường độ điện trường tạo ra bởi điện tích không gian

cua CTS, [kV/m]

Công thức tổng quát để tính các cường độ điện trường thành

Eo ; AE » For như sau:

20

phan đo»

Trong đó :

Q: điện tích, [C]

H: chiều cao của điện tích Q, [m]

: =9.10°

ATE,

Thành phần cường d6 dién trudng E,,_,,, eader tao ra bởi tia tiên

đạo được tính theo công thức:

1

Eveader = Ẹ [ a

46, (HjTVvf) HQ

Trong đó:

Ø0: mật độ điện tích tia tiên đạo, [C/m]

H _g: chiều cao của điện tích âm, [m]

v: tốc độ di chuyển cua tia tién dao, [m/s]

t: thời gian di chuyển của tia tiên đạo, [s]

l6

Điện tích âm suy giảm A(@_ do chảy vào tia tiên đạo được tính như sau:

3.1.3 Tính toán minh hoa

Nhằm minh họa cho hiệu quả chống sét của phương pháp chuyển dịch điện tích Chúng ta giả định thông số của kênh sét như sau:

- Téc d6 di chuyén tia tiên đạo là lm/ //s

- - Mật độ điện tích của tia tiên đạo cho các trường hợp ImC/m, 1.5mC/m, 2mC/m

Dựa theo các thông số giả định trên, chúng ta tiễn hành tính toán sự tương tác của kênh sét đối với kim thu sét và CTS để thấy

được sự hiệu quá của CTS so với kim thu sét trong van dé ngan chan

sự phát sinh tia sét Có hai thiết bị chéng sết được dùng để tính toán

là kim thu sét (một điểm nhọn) và hệ thống CTS có 10000 điểm

nhọn

Các kết quả tính toán được hiển thị khi cho tia tiên đạo giam dan độ cao từ 50m đến 30m so với mặt đất Các dữ liệu dùng để tính toán là các dữ liệu được đo tai Nam phi theo bang 3.1,

Qua các kết quả trong các bảng ta nhận thấy răng: Đối với kim thu sét, khi tia tiên đạo di chuyển càng đến gần mặt đất thì cường

độ điện trường tổng tại khu vực đó tăng lên rất lớn khi tia tiên đạo còn cách mặt đất 30m thì cường độ điện trường tong tại khu vực đó

đã vượt quá 500kV/m và tia sét đánh trực tiếp vào kim thu sét sẽ xảy

ra

Ngược lại, khi thay thế kim thu sét bằng hệ thống chuyển

dịch điện tích (CTS) với 10000 điểm nhọn thì khi tia tiên đạo càng

xuống gần mặt đất dẫn đến cường độ điện trường do đám mây gây ra

tang lén Ltic nay CTS cang phat xa dién tich duong manh hon va

làm giảm cường độ điện trường tổng tại khu vực đó Theo kết qua

trong các bảng 3.5, bảng 3.6, bảng 3.7 thì cường độ điện trường tổng

giảm xuống thấp hơn ngưỡng 500kV/m rất nhiều nên việc sét đánh

trực tiếp vào khu vực được bảo vệ không thê xay ra

3.2 ANH HUONG CUA SO LUONG DIEM NHON DEN DIEN

AP PHONG DIEN

Bảng 3.8: Quan hệ giữa số điểm nhọn và điện áp phóng điện

Số lượng điểm nhọn N Điện áp phóng điện (kV)

3.3 KET LUAN

Trong chương này ta đã tìm hiểu và tính toán minh họa để

chứng minh sự hiệu quả của phương pháp chống sét chuyên dịch điện

tích Qua các kết quả tính toán ta nhận thấy rằng:

Hệ thống chuyên dịch điện tích (CTS) có khả năng ngăn cản

những cú sét đánh vào vị trí cần bảo vệ Hệ thống này tạo ra một

vùng điện tích trên đối tượng được bảo vệ bằng cách chuyển các điện

tích dương vào các vùng không khí xung quanh thông qua một quá

trình xử lý gọi là phóng điện điểm (Point Discharge) Kết quả là các

phân tử không khí bị ion hoá hình thành nên sự trộn lẫn các phân tử

không khí tích điện và khoảng không tích điện, gọi là vùng tích điện,

hình thành nên một trường giữa đám mây bão và vị trí được bảo vệ

Vì vậy điện thế giữa điểm cần bảo vệ và các đám mây bão giảm

xuống rất nhiều Do đó đã ngăn cản được các tia sét đánh thắng

CHUONG 4 TINH TOAN THIET KE HE THONG CHONG SET SU DUNGPHUONG PHAP CHUYEN DICH DIEN TICH

Hé thống chéng sét chuyển dịch điện tích bao gốm các bộ phận: Bộ tập trung điện tích trong đất (Hệ thống nối đất), bộ tạo ion

và dây dẫn điện tích

4.1 CAC BUOC TINH TOAN THIET KE CTS

Để tính toán thiết kế hệ thống chống sét theo phương pháp chuyên dịch điện tích ta tiến hành các bước sau:

4.1.1 Tính toán thiết kế bộ tập trung điện tích trong đất:

Điện trở của bất kỳ điện cực RI có thé được ước tính theo công thirc:[6]

Trong đó:

Ø là điện trở suất của đất [ ©zn ]

L là chiều dài điện cực , [m]

đ là đường kính của điện cực, [m]

Tính toán số lượng thanh tiếp địa yêu cầu là :

RK

R N

Trong đó :

RI là điện trở của một điện cực tiếp đất

K là hệ số

RN là điện trở đất mong muốn

N là số thanh tiếp địa yêu cầu

19

4.1.2 Hé thong day dan

Dây dẫn có nhiệm vụ kết nối hệ thống nói đất với bộ tạo ion

Trước đây dây dẫn thường được chôn trong rãnh sâu khoảng 25cm

(9,8 inches) Tuy nhiên, hiện nay một phương pháp duy nhất được sử

dụng để kết nói hệ thông tiếp địa là phương pháp kích hoạt hóa học

Đồng ống mềm có đường kính ít nhất là 1,27 cm (1⁄2

inches) Thành phần 99% đồng nguyên chất hoặc dây cáp đồng trần

4/0 AWG theo tiêu chuẩn Mỹ, được sử dụng để kết nối với hệ thống

tiếp đất được kích hoạt hóa học Mỗi điện cực được kết nối với hệ

thống dây dẫn tại một điểm duy nhất để có một hệ thống nối đất đảm

bảo kỹ thuật Ngoài ra, tất cả các mối hàn được hàn bạc hoặc hàn hóa

học với nhau để đạt được điện trở 5 QO hoặc thấp hơn nếu cần thiết

Các ống đồng hoặc cáp đồng trần 4/0 AWG được chôn sâu ít nhất

25cm (10 inches) nhưng cũng không được sâu quá 40cm (16 1nches)

Tại những khu vực nơi mà mặt đất có thể đóng băng thì có thể chôn

sau hon.[6]

4.1.3 Tính toán thiết kế bộ tạo ion

4.1.3.1 Tính toán điện tích không gian và số điểm cân thiễt

Trong môi trường dông sét, CTS sẽ bơm một lượng điện tích

dương vào không khí phía trên cấu trúc được bảo vệ Lượng điện tích

dương đó được xác định theo phương trình sau :

a

=—0 (4.5)

1 A Trong đó :

q : điện tích không gian cần thiết [C]

a : khu vực được bảo vệ [m |

A: khu vực cảm ứng điện tích [r ] Q: điên tích trong đám mây [C]

20

Để CTS có thể bơm vào không khí phía trên cấu trúc được

bảo vệ một lượng điện tích dương q thì số lượng đỉnh nhọn cần thiết

cho quá trình phóng điện điểm sẽ là:

Tự

Trong đó:

N: S6 luong điểm nhọn cần thiết

q: Điện tích không gian cân thiết, [C]

Ip: Dòng điện tại mỗi điểm, [ / A]

t: Thời gian cân thiết dé tích lũy q [s]

Dòng phóng điện tại mỗi điểm dựa theo nghiên cứu của

phòng thí nghiệm:

Ip = 60 / A/điểm trong trường hợp dông bão.[6]

Khi tia tiên đạo tiếp cận cách mặt đất khoảng 100 mét, thì

vận tốc di chuyển của tia tiên đạo cho 100 mét cuối cùng này là

0.5m// s Để đối phó với điều đó, một lượng điện tích không gian

đáng kể phải đặt đúng vị trí trước khi tia tién dao lan truyén.[10] 4.1.3.2 Phạm vỉ bảo vệ của hệ thống chuyển dịch điện tích (CTS)

Phương pháp tính toán khu vực bảo vệ của CTS được phát

triển dựa trên sự so sánh với khu vực bảo vệ của cột thu lôi

Đề tính phạm vi bảo vệ của CTS so với cột thu lôi ta giá định cường độ điện trường tại điểm A (cột thu lôi) và điểm B (CTS) bằng nhau nên ta có:

3 3

4mé,(h° +R)? 4m€ (h? + Revs 9)?