Bảo vệ chống sét sử
dụng thiết bị hãng
INDELEC
Chương 1:
DẪN NHẬP
I. ĐẶT VẤN ĐỀ :
Con người xa xưa sợ sấm Sét, nó được xem là cơn giận của
thần linh. Mãi đến thế kỷ XIIX, Sét mới được xem xét như là
một hiện tượng thiên nhiên bằng các phương pháp khoa học đã
tìm ra bản chất điện của nó.
Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và
đất, hay giữa các đám mây mang điện tích trái dấu. Sét xuất
hiện ngẫu nhiên và giải phóng một năng lượng rất lớn. Nó luôn
đe dọa tính mạng con người; phá hoại tài sản. Trong khung
cảnh rất nhiều công trình và thiết bò hiện đại, một tia Sét không
lường trước chỉ trong vài phần triệu giây, có thể gây nên những
hư hỏng vật chất lớn lao và các thiệt hại khủng khiếp. Nó có thể
gây, làm hư hỏng các hệ thống điện, điện thoại, máy tính và
đồng thời gây nên thiệt hại về doanh thu đáng kể do việc sản
xuất hoặc cung ứng dòch vụ bò ngưng trệ
Do vậy, bảo vệ chống Sét trực tiếp cho công trình và
chống Sét lan truyền cho thiết bò của các công trình là yêu cầu
bức thiết. Nhiều thiết bò chống Sét của các chuyên gia khoa học
đã lần lượt ra đời :
Năm 1752 : Benjamin Franklin khám phá ra kim thu Sét.
Chứng minh rõ tính chất điện của Sét.
Năm 1880 : Một nhà vật lý người Bỉ, Mell Seul nhận ra
việc bảovệ các lâu đài bằng hợp lại các thanh kim loại trên mái
trong lónh vực chống sét cùng với việc sử dụng phần mềm
MATLAB để tính toán lựa chọn cấp bảo vệ cho công trình.
Với thời gian thực hiện đề tài rất ngắn chỉ trong vòng hai
tháng, điều kiện làm việc còn nhiều khó khăn, cho nên tài liệu
thu thập để tham khảo không nhiều, kinh nghiệm thực tế còn ít
ỏi, tập đồ án này chỉ nghiên cứu vấn đề ở mức độ sau:
Lý thuyết chống sét.
Giới thiệu phần mềm MATLAB .
Tính tóan chống sét cho một công trình cụ thể.
III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU :
Lónh hội những kiến thức khoa học mới mẻ, tiến bộ trên
thế giới được xem như là điều động viên kích động năng lực
khám phá, tìm hiểu của giới trẻ ngày nay, nhất là các tầng lớp
sinh viên, công nhân kỹ thuật, các kỹ sư mới ra trường
Tập đồ án này là một nỗ lực nhằm đáp ứng phần nào yêu
cần nêu trên; mà mục tiêu trước mắt là giúp cho bản thân và các
đồng nghiệp tiếp cận thêm với nền kỹ thuật chống Sét hiện đại
của Pháp và sử dụng phần mềm MATLAB để tính chọn cấp bảo
vệ cho công trình; mục tiêu xa hơn là áp dụng vào đời sống thực
tiển để tính chọn cấp bảo vệ cho công trình và các toà nhà cao
tầng
Tuy nhiên, đề tài này còn ở mức thô sơ và mang tính chủ
quan, chưa nghiên cứu vấn đề một cách hoàn thiện; ngoài ra
phần mềm MATLAB này còn rất mới mẻ đối với người nghiên
cứu, chỉ được học rất ít trong chương trình, do đó chưa đạt được
mức độ hoàn hảo. Hy vọng rằng trong tương lai, chúng ta sẽ tìm
ra được giải pháp chống Sét hiện đại hơn, đảm bảo an toàn cho
ngøi và thiết bò.
IV. THỂ THỨC NGHIÊN CỨU :
Trước hết người thực hiện đi thu thập và khảo sát tất cả
Phần I : Hiện trạng trang bò và tình trạng hư hỏng do Sét
gây ra đối với các công trình thông tin trên mạng viễn
thông Việt Nam.
Phần II : Xây dựng phương án chống Sét.
Phần III : Mô hình chống Sét tại một trạm liên hợp.
Phần IV : Phương án lựa chọn các phần tử bảo vệ.
B- ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI :
* Ưu điểm :
Các tác giả viết đề tài này đã hệ thống hóa toàn bộ những
kiến thức cơ bản có liên quan về lónh vực chống Sét theo một hệ
thống logic.
Đề tài phi hợp lý với quy trình kế hoạch chống Sét của nước
ta hiện nay.
Đề tài được sử dụng cho đối tượng đang tìm hiểu nghiên cứu
về chống Sét nhất là các sinh viên thuộc các trường kỹ thuật,
các kỹ sư, công nhân kỹ thuật
* Hạn chế :
Tác giả viết đề tài này mang nặng tính chủ quan. Hầu như
không nói đến tên tài liệu tham khảo nào, kể cả tài liệu ngoài
nước để cho người đọc có thể tham khảo mở rộng thêm kiến
thức của mình.
C- PHẦN LIÊN HỆ :
Người nghiên cứu đã sử dụng một số bảng tra cứu trong đề
tài này như:
Bảng số 3:”Số ngày dông trung bình trong năm ở một số
đòa phương của Việt Nam”.
Bảng số 4, “ Giá trò điện trở suất của một số loại đất”.
Chương 2: XÁC ĐỊNH TỪ NGỮ
1. Phóng điện Sét :
Là loại đầu thu Sét bao gồm một kim thu Sét cùng với một
loại thiết bò đặc biệt có khả năng tạo ra một đường dẫn Sét chủ
động về phía trên nhanh và cao hơn các kim loại thông thường.
10. Quá trình phát ra đường dẫn Sét :
Là hiện tượng vật lý giữa sự khởi đầu của hiệu ứng Corona
đầu tiên và sự lan truyền một đường dẫn Sét về phía trên.
11. Độ lợi về thời gian tạo tia tiên đạo (T) :
Đại lượng T là độ lợi về thời gian tạo đường dẫn Sét chủ
động về phía trên của đầu thu Sét loại tia tiên đạo so với các
loại kim thu Sét thông thường ở trong cùng một điều kiện.
12. Các thành phần tự nhiên :
Đó là những cấu trúc nằm bên ngoài hoặc bên trong công
trình hay nằm sâu trong tường (cốt thép của bê tông, khung nhà
thép ) mà có thể dùng thay thế một phần hay tất cả dây dẫn
Sét hay chỉ là phần dẫn Sét bổ sung.
13. Thanh nối cân bằng thế :
Là những thanh kim loại dùng để nối tất cả các thành phần
kim loại tiếp xúc với đất nằm trong công trình, các vỏ máy, vỏ
cáp thông tin, điện lực với hệ thống chống Sét.
14. Dây dẫn cân bằng thế :
Là những dây dẫn dùng để nối cân bằng thế.
15. Sự phóng điện nguy hiểm :
Là sự phóng điện phát sinh dòng Sét.
16. Khoảng cách an toàn :
Là khoảng cách tối thiểu mà không xảy ra sự phóng điện
nguy hiểm.
17. Cấu trúc chòu lực :
Cấu trúc thép dùng trong nhà xưởng nếu có điện trở nhỏ
hơn 0,01 Ohm thì có thể dùng thay thế dây dẫn Sét.
18. Dây dẫn Sét :
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRANG 1
Chương 3:
CƠ SỞ LÝ LUẬN
Việc quyết đònh thiết kế hệ thống bảo vệ chống Sét cho các
công trình đòi hỏi phải dựa vào hai yếu tố sau: đó là khả năng
Sét tại vùng đó và tác hại của Sét đối với công trình.
Hiện tượng Sét là hiện tượng thiên nhiên, do đó không thể
đảm bảo độ an toàn tuyệt đối cho các cấu trúc cần bảo vệ. Tuy
nhiên, nếu một hệ thống bảo vệ chống Sét được thiết kế và lắp
đặt đúng theo một tiêu chuẩn nào đó, sẽ đảm bảo độ an toàn cao
nhất cho các công trình, giảm đến mức thấp nhất tác hại của Sét.
Khi đưa ra giải pháp phòng chống Sét bất kỳ một chuyên
gia của một quốc gia nào cũng phải thông qua việc nghiên cứu,
tìm hiểu rõ bản chất, hiện tượng vật lý, nguồn gốc xuất hiện của
Sét; và các thông số của Sét như biên độ dòng Sét, thời gian đầu
sóng, độ dốc dòng điện Sét, độ dài dòng điện Sét, xác suất xuất
hiện biên độ và độ dốc dòng điện Sét, cũng như các tác hại do
Sét đánh trực tiếp hay do sự lan truyền sóng điện từ gây bởi dòng
Sét. Từ đó đưa ra các biện pháp phòng chống có hiệu quả.
Thiết bò hỗ trợ cho việc phòng chống Sét lại là những trang
thiết bò cơ bản chính yếu cho một hệ thống chống Sét của khu
vực, công trình cần bảo vệ. Các thiết bò này được các chuyên gia
về lónh vực chống Sét sáng tạo ra, cần thiết phải đảm bảo độ tin
cậy an toàn, bền vững khi có hiện tượng dòng Sét xảy ra. Như
vậy các thiết bò này phải có những ưu điểm nổi bật riêng về cấu
tạo, chức năng hoạt động cũng như vấn đề thẩm mỹ khi lắp đặt
chúng.
Có thể so sánh các thiết bò chống Sét cổ điển với thiết bò
chống Sét hiện đại ngày nay; và nhận thấy rằng, các hệ thống
lệnh khởi động phóng tia tiên đạo hướng lên.
Chòu đựng được ngay cả đối với những cú sét có 8 lần phóng
điện mỗi lần 10KA. Phương pháp này cho phép kiểm tra độ
bền cơ khí, điện kháng, ảnh hưởng hiệu ứng điện động, cảm
ứng điện ra xung quanh.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRANG 3
Ngoài các thiết bò chống sét trực tiếp như kim thu sét, dây
thoát sét, hệ thống thiết bò nối đất. Các thiết bò sau đây không
thể thiếu được trong một hệ thống bảo vệ chống sét hoàn hảo.
* Máy đếm sét được thiết kế để đếm và trình bày thông số
những cú sét thật sự xảy ra cho một kiến trúc công trình.
* Thiết bò chống sét lan truyền được thực hiện theo
nguyên tắc chống quá điện áp bậc thang. Sóng quá điện áp có
dạng xung gia tăng đột ngột ( do sét hay do các thao tác đóng cắt
trên lưới), do đó có khả năng gây hư hỏng các thiết bò điện đặc
biệt là các thiết bò điện tử nhạy cảm.
Năng lượng trong một sóng dao động như vậy có thể giảm
xuống nhờ 2 lớp cắt sóng và lọc sóng.
*Lớp cắt sóng năng lực cao đặt ở tuyến đầu làm giảm phần
lớn năng lượng của sóng.
*Điện áp dư sau khi qua lớp thứ nhất sẽ được giảm đến
mức cho phép của thiết bò phía sau nhờ lớp lọc sóng dùng thiết bò
biến trở.
Do các thiết bò bảo vệ chốùng sét trực tiếp và chốùng sét lan
truyền luôn được cải thiện hàng năm. Do đó cũng quan trọng
trong việc cải thiện các dự báo theo các tiêu chuẩn và quy đònh
quốc tế; nhằm cung cấp thông tin chính xác cho các nhà thiết kế
hệ thống chống sét cho các công trình và các khu vực công cộng.
Các tiêu chuẩn này phải đề ra các quy đònh và khái niệm chung
thích hợp.
Tính toán lựa chọn cấp bảo vệ cho các bộ phận khu vực có
khả năng sét đánh vào, dùng phần mềm MATLAB để mô
phỏng, từ đó tính vùng bảo vệ cho công trình.
Chọn thiết bò và lắp đặt hệ thống chống sét cho công trình
theo tiêu chuẩn an toàn quốc gia PHÁP (NFC 17 –102
7/1995).
Việc lựa chọn các phần tử bảo vệ phải đảm bảo các tiêu
chuẩn, độ tin cậy đảm bảo tuổi thọ và khả năng làm việc
trong môi trường. Ngoài chỉ tiêu kỹ thuật các phần tử bảo vệ
được lựa chọn còn phải bảo đảm tính kinh tế, tùy
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRANG 5
thuộc vào hoàn cảnh kinh tế của đòa phương, tầm quan trọng
của công trình cần bảo vệ mà tiến hành đầu tư trang thiết bò
cho thỏa đáng.
Chương 4:
SÉT VÀ CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG
SÉT
I. SÉT :
Sự hình thành sét
:
Sét là một dạng phóng điện tia lửa
trong không khí với khoảng cách rất lớn.
Quá trình phóng điện có thể xảy ra trong
đám mây giông, giữa các đám mây với
nhau và giữa đám mây với đất. Ở đây ta
chỉ xét sự phóng điện giữa mây và đất.
Hình 1 :
Sự hình thành sét
bình khoảng 1
s.
Thời gian tạm ngưng phát triển giữa 2 đợt khoảng 30 -
90
s.
Đường đi của tia tiên đạo trong thời gian này không phụ
thuộc vào tình trạng mặt đất và các vật trên mặt đất, do đó nó
gần như hướng thẳng về phía mặt đất. Cho đến khi tia tiên đạo
đạt đến độ cao đònh hướng thì mới bò ảnh hưởng bởi các vùng
điện tích tập trung dưới mặt đất.
b) Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa :
Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của
mây giông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung
điện tích trái dấu trên vùng mặt đất phía dưới đám mây giông.
Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích
tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo, nếu vùng đất phía
dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích chủ yếu tập trung ở
vùng kế cận nơi có điện dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng
đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các
tòa nhà cao tầng, cột điện, cây cao bò ướt trong mưa chính các
vùng điện tích tập trung này sẽ đònh hướng hướng phát triển của
tia tiên đạo hướng xuống khi nó đạt đến độ cao đònh hướng, tia
tiên đạo sẽ phát triển theo hướng có điện trường lớn nhất. Do đó
các vùng tập trung điện tích sẽ là nơi sét đánh vào.
Ở những vật dẫn có độ cao như các nhà cao tầng, cột
angten các đài phát thì từ đỉnh của nó nơi các diện tích trái dấu
tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện dòng tiên đạo phát
triển hướng lên đám mây giông. Chiều dài của kênh tiên đạo từ
dưới lên này tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ
dàng cho sự đònh hướng của sét vào vật dẫn đó.
8
m/s tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ
phát triển của kênh tiên đạo. Khi kênh phóng điện chủ yếu lên
tới đám mây thì số điện tích còn lại của đám mây sẽ theo kênh
phóng điện chạy xuống đất và tạo nên dòng điện có trò số nhất
đònh.
Kết quả quan trắc cho thấy rằng: phóng điện sét thường
xảy ra nhiều lần kế tiếp nhau trung bình là 3 lần. Các lần phóng
điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục ( không phải từng
đợt như lần đầu ), không phân nhánh và theo đúng qũy đạo của
lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn ( 2. 10
6
m/s). Điều này được
giải thích: đám mây giông có thể có nhiều trung tâm điện tích
khác nhau hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây.
Lần phóng điện đầu tiên dó nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung
tâm điện tích có cường độ điện trường cao nhất. Trong giai đoạn
phóng điện tiên đạo thì hiệu điện thế giữa các trung tâm này vơí
các trung tâm khác không thay đổi và ít có ảnh hưởng qua lại.
Nhưng khi kênh phóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung
tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điện thế của
đất, điều này làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã
phóng tới trung tâm điện thế lân cận tăng lên và có thể dẫn đến
phóng điện giữa chúng với nhau. Trong khi đó thì kênh phóng
điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất đònh do sự khử ion chưa hoàn
toàn, nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quỹ đạo đó,
liên tục và với tốc độ lớn hơn lần đầu.
Ismax
0.5Ismax
i
Các thông số chủ yếu :
Biên độ dòng sét : là giá trò lớn nhất của dòng điện sét.
Thời gian đầu sóng (t
ds
) : là thời gian dòng sét tăng từ 0
đến giá trò cực đại.
Độ dốc dòng điện sét : a = di
s
/dt
Độ dài dòng điện sét (t
s
) : là thời gian từ đầu dòng điện
sét đến khi dòng điện giảm bằng 1/2 biên độ.
a) Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện :
Dòng điện sét có trò số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện
chủ yếu đến trung tâm điện tích của đám mây giông.
Để đo biên độ dòng sét người ta dùng rộng rãi hệ thống
điện thiết bò ghi từ.
Xác suất xuất hiện dòng sét có thể tính gần đúng theo
công thức :
Cho vùng đồng bằng : V
I
= e
-Is/26
= 10
-is/60
Cho vùng núi cao : V
I
= 10
-Is/30
L:chiều dài của công trình
h
x
:chiều cao tính toán của công trình
n:số lần sét đánh trung bình trên 1km
2
trong năm
xảy ra ở đòa phương
Mật độ của sét là số lần sét đánh trung bình trên một đơn
vò diện tích mặt đất (1km
2
) trong một ngày sét.
Cường độ sét cũng như mật độ sét thay đổi theo vùng lãnh
thổ.
Copyright: Tài liệu đại học ©