Sét và các giải pháp phòng chống sét

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương SÉT VÀ CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT I SÉT : Sự hình thành sét : Sét dạng phóng điện tia lửa không khí với khoảng cách lớn Quá trình phóng điện xảy đám mây giông, đám mây với đám mây với đất Ở ta xét phóng điện mây đất Hình : Sự hình thành sét Có hai loại mây giông : + Giông nhiệt: Hình thành từ luồng khí nóng ẩm bốc lên đốt nóng ánh nắng mặt trời + Giông front: Hình thành gặp luồng không khí nóng ẩm với luồng không khí năïng Sau đạt độ cao định (khoảng vài km trở lên, vùng nhiệt độ âm) luồng không khí ẩm bị lạnh đi, nước ngưng tụ thành giọt nước li ti thành tinh thể băng tạo thành đám mây dông Theo kết quan trắc từ 80 - 90% đám mây giông tích điện tích âm bên Các giai đoạn phát triển sét : a) Giai đoạn phóng tia tiên đạo : Ban đầu xuất phát từ mây giông tia tiên đạo sáng mờ, phát triển thành đợt gián đoạn phía mặt đất, với tốc độ trung bình khoảng 105 - 106m/s Kênh tiên đạo dòng plasma mật độ điện khoảng 1013 ÷ 1014 ion/m3, phần điện tích âm mây giông tràn vào kênh phân bố tương đối dọc theo chiều dài Thời gian phát triển tia tiên đạo đợt kéo dài trung bình khoảng 1μs Thời gian tạm ngưng phát triển đợt khoảng 30 - 90μs TRANG 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đường tia tiên đạo thời gian không phụ thuộc vào tình trạng mặt đất vật mặt đất, gần hướng thẳng phía mặt đất Cho đến tia tiên đạo đạt đến độ cao định hướng bị ảnh hưởng vùng điện tích tập trung mặt đất b) Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa : Dưới tác dụng điện trường tạo nên điện tích mây giông điện tích kênh tiên đạo, có tập trung điện tích trái dấu vùng mặt đất phía đám mây giông Nếu vùng đất phía có điện dẫn đồng nơi điện tích tập trung nằm trực tiếp kênh tiên đạo, vùng đất phía có điện dẫn khác điện tích chủ yếu tập trung vùng kế cận nơi có điện dẫn cao vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại tòa nhà cao tầng, cột điện, cao bị ướt mưa vùng điện tích tập trung định hướng hướng phát triển tia tiên đạo hướng xuống đạt đến độ cao định hướng, tia tiên đạo phát triển theo hướng có điện trường lớn Do vùng tập trung điện tích nơi sét đánh vào Ở vật dẫn có độ cao nhà cao tầng, cột angten đài phát từ đỉnh nơi diện tích trái dấu tập trung nhiều đồng thời xuất dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây giông Chiều dài kênh tiên đạo từ lên tăng theo độ cao vật dẫn tạo điều kiện dễ dàng cho định hướng sét vào vật dẫn Người ta lợi dụng tính chất chọn sét để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho công trình cách dùng kim loại hay dây thu sét kim loại nối đất tốt, đặt cao công trình cần bảo vệ để hướng sét đánh vào mà không phóng vào công trình Khi tia tiên đạo hướng xuống gần mặt đất hay tia tiên đạo hướng lên, khoảng cách khí cường độ điện trường tăng cao gây lên ion hóa mãnh liệt, dẫn đến hình thành dòng plasma có mật độ điện tích cao nhiều so với mật độ điện tích tia tiên đạo, điện dẫn tăng lên hàng trăm lần c) Giai đoạn phóng điện ngược : Do điện dẫn tăng cao nên điện tích cảm ứng tràn vào dòng ngược mang điện đất làm cho cường độ trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt dòng plasma điện dẫn cao 1016 - 1019 ion/m3 tiếp tục phát triển ngược lên theo đường dọn sẵn kênh tiên đạo Đây phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu Vì mật độ điện tích caốt nóng mãnh liệt tia phóng điện chủ yếu sáng chói ( chớp ) Tốc độ phát triển kênh phóng điện ngược vào khoảng 1,5 107 ÷ 1,5.108 m/s tức nhanh gấp trăm lần tốc độ phát triển kênh tiên đạo Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây số điện tích lại đám mây theo kênh phóng điện chạy xuống đất tạo nên dòng điện có trị số định TRANG 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Kết quan trắc cho thấy rằng: phóng điện sét thường xảy nhiều lần trung bình lần Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục ( đợt lần đầu ), không phân nhánh theo qũy đạo lần đầu với tốc độ cao ( 106m/s) Điều giải thích: đám mây giông có nhiều trung tâm điện tích khác hình thành dòng không khí xoáy mây Lần phóng điện dó nhiên xảy đất trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo hiệu điện trung tâm vơí trung tâm khác không thay đổi có ảnh hưởng qua lại Nhưng kênh phóng điện chủ yếu lên đến mây trung tâm điện tích đám mây thực tế mang điện đất, điều làm cho hiệu trung tâm điện tích phóng tới trung tâm điện lân cận tăng lên dẫn đến phóng điện chúng với Trong kênh phóng điện cũ điện dẫn định khử ion chưa hoàn toàn, nên phóng điện tiên đạo lần sau theo quỹ đạo đó, liên tục với tốc độ lớn lần đầu Hình 2: Các giai đoạn phóng điện sét biến thiên dòng điện sét theo thời gian a – Giai đoạn phóng điện tiên đạo b – Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt c – Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu d – Phóng điện chủ yếu kết thúc Các thông số sét : TRANG 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khi tính toán bảo vệ chống sét thông số cần ý dòng điện sét có phạm vi giới hạn rộng, biên độ dòng sét lên đến 200-300 KA Tuy nhiên phần lớn trường hợp gặp sét đánh trị số 50 KA, sét có dòng điện từ 100 KA trở lên xảy Do tính toán thường lấy dòng điện sét baèng 50 KA i Is Ismax 0.5Ismax tds ts t Dòng điện sét có dạng sóng xung Thường khoảng vài ba micro giây dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo thành phần đầu sóng, sau giảm chậm khoảng 20 - 100 μs tạo nên phần đuôi sóng Các thông số chủ yếu : ♦ Biên độ dòng sét : giá trị lớn dòng điện sét ♦ Thời gian đầu sóng (tds) : thời gian dòng sét tăng từ đến giá trị cực đại ♦ Độ dốc dòng điện sét : a = dis/dt ♦ Độ dài dòng điện sét (ts) : thời gian từ đầu dòng điện sét đến dòng điện giảm 1/2 biên độ a) Biên độ dòng sét xác suất xuất : Dòng điện sét có trị số lớn vào lúc kênh phóng điện chủ yếu đến trung tâm điện tích đám mây giông Để đo biên độ dòng sét người ta dùng rộng rãi hệ thống điện thiết bị ghi từ Xác suất xuất dòng sét tính gần theo công thức : ♦ Cho vùng đồng : VI = e-Is/26 = 10-is/60 ♦ Cho vùng núi cao : VI = 10-Is/30 b) Độ dốc đầu sóng dòng điện sét (a) xác suất xuất : Để đo độ dốc dòng điện sét người ta thường dùng khung dây dẫn nối vào hoa điện kế Xác suất xuất độ dốc tính theo: + Cho vùng đồng : Va = e-a/15,7 = 10 -a/36 + Cho vuøng núi cao : Va = 10-a/18 c) Cường độ hoạt động sét : Cường độ hoạt động sét biểu thị số ngày trung bình có dông sét hàng năm tổng số trung bình có dông sét hàng năm Số lần sét đánh năm vào công trình : TRANG 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ( W+3hx)(L+3hx)n N = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 106 : W:chiều rộng công trình L:chiều dài công trình hx:chiều cao tính toán công trình n:số lần sét đánh trung bình 1km2 năm xảy địa phương Mật độ sét số lần sét đánh trung bình đơn vị diện tích mặt đất (1km ) ngày sét Cường độ sét mật độ sét thay đổi theo vùng lãnh thổ Các tác hại sét : a) Khi sét đánh trực tiếp : Do lượng cú sét lớn nên sức phá hoại lớn công trình bị sét đánh trực tiếp bị ảnh hưởng đến độ bền khí, học thiết bị công trình, phá hủy công trình, gây cháy nổ : • Biên độ dòng sét ảnh hưởng vấn đề điện áp xung ảnh hưởng đến độ bền khí thiết bị công trình • Thời gian xung sét ảnh hưởng đến vấn đề điện áp xung thiết bị • Thời gian tồn xung sét ảnh hưởng đến độ bền học thiết bị hay công trình bị sét đánh • Ngoài ra, khả cháy nổ xảy cao công trình bị sét đánh trực tiếp b) Ảnh hưởng lan truyền sóng điện từ gây dòng điện sét : Khi xảy phóng điện sét gây nên sóng điện từ tỏa xung quanh với tốc độ lớn, không khí tốc độ tương đương tốc độ ánh sáng Sóng điện từ truyền vào công trình theo đường dây điện lực, thông tin gây điện áp tác dụng lên thiết bị công trình, gây hư hỏng đặc biệt thiết bị nhạy cảm: thiết bị điện tử, máy tính mạng máy tính gây thiệt hại lớn II CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG : Các tác hại sét gây lớn nên đặt vấn đề phòng chống sét, mà nguyên lý dựa vào đặc tính chọn lọc điểm đánh sét TRANG 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Rõ ràng rằng, tia tiên đạo hướng lên sớm gặp tia tiên đạo hướng xuống sớm bắt đầu cú sét xác định điểm bị sét đánh Một kim thu sét có điều kiện thích hợp khởi đầu tia phóng điện lên, bao gồm : • Hình dạng kim (nhọn) • Sự tồn electron ban đầu thời điểm • Sức mạnh trường điện từ • Hiệu hệ thống nối đất Chống sét đánh trực tiếp : Có hai loại bảo vệ việc chống sét đánh trực tiếp: • Thanh chống sét (thanh đơn giản hay với thiết bị kích) • Đai lưới thu sét A Chống sét kim : Một hệ thống chống sét dùng kim gồm : ♦ Kim thu sét gắn đỉnh cột nâng đặt đỉnh cao tòa nhà bảo vệ ♦ Một hay hai dây dẫn xuống nối từ kim xuống đất ♦ Một hay hai hệ thống nối đất để tản dòng điện sét vào đất a Kim Franklin (kim đơn giản) : Có phạm vi bảo vệ nhỏ, hình dáng bên không hấp dẫn, khó khăn tốn nhiều thời gian để đặt trang thiết bị, tin tưởng vận hành, mức độ hiệu không rõ rệt, đắt tiền b Kim với thiết bị kích : Có nhiều loại nhiều hãng khác nhau, phạm vi đề tài đề cập đến kim PREVECTRON sản phẩm hãng INDELEC (Pháp) PREVECTRON thiết bị thu sét tạo tia tiên đạo, với thiết bị tự động kích phóng điện tích Nó dùng đòi hỏi vùng bảo vệ rộng B Đai lưới chống sét : Hệ thống bảo vệ thành lập từ mạng lưới kim nhỏ (30 - 50cm) dây dẫn dọc hay ngang nối với số điện cực đất Hệ thống bảo vệ khép kín cho tòa nhà Chống ảnh hưởng sét lan truyền : Để chống ảnh hưởng lan truyền từ dây điện lực hay thông tin, người ta lắp đặt hệ thống cắt lọc sét trước đường dây vào công trình TRANG 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRANG 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRANG 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT NFC 17-102 ( Dùng loại thiết bị thu sét tạo tia tiên đạo ) Tiêu chuẩn cung cấp thông tin cho nhà thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho công trình ( nhà máy, cao ốc ) khu vực rộng dùng loại thu dẫn sét tạo tia tiên đạo Hiện tượng sét tượng thiên nhiên, đảm bảo độ an toàn tuyệt đối cho cấu trúc cần bảo vệ Tuy nhiên, hệ thống bảo vệ chống sét thiết kế lắp đặt theo tiêu chuẩn đảm bảo độ an toàn cao cho công trình, giảm đến mức thấp tác hại sét Việc định thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét cho công trình phụ thuộc vào yếu tố sau: khả sét vùng tác hại sét công trình Một số công trình cần có hệ thống bảo vệ chống sét là: • Công trình công cộng thường xuyên có nhiều người • Các tháp cao, ống khói • Công trình chứa vật liệu dễ cháy, dễ nổ Trong giai đoạn thiết kế, thi công công trình cần phải đặc biệt ý vấn đề sau đây: • Cân nhắc, lựa chọn cấu trúc công trình cần phải bảo vệ chống sét, phải có ý kiến nhà chuyên môn: kiến trúc sư, kỹ sư, nhà lắp đặt • Cân nhắc, lợi dụng kết cấu tự nhiên có sẵn công trình để lắp đặt hệ thống chống sét I CÁC QUY ĐỊNH VÀ KHÁI NIỆM CHUNG : Phạm vi áp dụng đối tượng : a Phạm vi áp dụng : Tiêu chuẩn áp dụng công việc bảo vệ chống sét cho công trình thông thường ( cao ốc, nhà máy ) có độ cao nhỏ 60m khu vực rộng dùng loại dẫn sét tạo tia tiên đạo Tiêu chuẩn đề cập vấn đề bảo vệ chống lại tác hại điện gây dòng sét qua hệ thống chống sét * Ghi : TRANG 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tiêu chuẩn không đề cập đến vấn đề bảo vệ thiết bị điện, điện tử chống lại tượng điện áp xung nguồn điện dẫn vào công trình Có số tiêu chuẩn khác để đề cập việc bảo vệ chống sét dùng loại kim thu sét thông thường, đai lưới thu sét Ngoài số ngành xây dựng, dịch vụ công cộng, cứu hỏa có số quy định đặc thù ngành b Nội dung chủ yếu : Tiêu chuẩn cung cấp thông tin sở khoa học để thiết kế, lắp đặt, kiểm tra bảo vệ hệ thống chống sét dùng loại dẫn sét tạo tia tiên đạo Mục đích hệ thống chống sét bảo vệ an toàn cho người vật chất cách cao Các tiêu chuẩn tham khảo : Tiêu chuẩn đời bổ sung chỉnh lý từ tiêu chuẩn trước đây, thời điểm xuất bản, tiêu chuẩn thời điểm hành Các tiêu chuẩn trước là: • NFC 15-100 ( tháng 5/1991) • NFC 90-120 ( tháng 10/1983) • NFC 17-100 ( tháng 2/1987) Các thành phần hệ thống bảo vệ chống sét : Một hệ thống bảo vệ chống sét bao gồm thành phần lắp bên công trình cần thiết có thành phần nằm bên công trình * Các thành phần bên hệ thống chống sét: • Một hay nhiều đầu thu sét tạo tia tiên đạo • Một hay nhiều dây dẫn sét • Một hộp kiểm tra cho dây dẫn sét • Một khớp nối cách ly hệ thống nối đất chống sét với hệ thống nối đất khác công trình • Một đầu nối đất cho dây dẫn sét • Một hay nhiều dây dẫn nối đầu nối đất với • Một hay nhiều cân • Một hay nhiều cân nối với chống sét trụ angten * Các thành phần bên hệ thống chống sét : ♦ Một hay nhiều dây cân ♦ Một hay nhiều cân TRANG 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương THIẾT BỊ CHỐNG SÉT CỦA HÃNG INDELEC I KIM THU SÉT : Kim Franklin : Kim Franklin hãng INDELEC có mũi nhọn, mảnh Kim làm đồng mạ crôm hay thép không rỉ, với nhiều kích cỡ từ 1,3 - 2,3m Ngoài có kiểu kim đặc biệt: TD inox dành cho ống khói, “Jupiter” dành cho chống sét cho chong chóng cao, cột angten, cột cao Kim PREVECTRON : a Cấu tạo : Thiết bị chống sét tạo tia tiên đạo bao gồm : ♦ Kim thu sét trung tâm đồng điện phân thép không rỉ, kim có tác dụng tạo đường dẫn dòng sét liên tục từ tia tiên đạo dẫn xuống đất theo dây dẫn sét Kim thu sét gắn trụ đỡ cao tối thiểu 2m ♦ Hộp bảo vệ đồng thép không rỉ, có tác dụng bảo vệ thiết bị tạo ion bên Hộp gắn vào kim thu sét trung tâm ♦ Thiết bị tạo ion, giải phóng ion tạo tia tiên đạo: thiết bị có tính đặc biệt đầu thu sét PREVECTRON Nhờ thiết bị mà đầu thu sét PREVECTRON tạo vùng bảo vệ rộng lớn với mức độ an toàn cao ♦ Hệ thống điện cực phía trên: có tác dụng phát tia tiên đạo ♦ Hệ thống điện cực phía dưới: có tác dụng thu lượng điện trường khí quyển, giúp cho thiết bị chống sét hoạt động b Nguyên tắc hoạt động : Trong trường hợp giông bão xảy ra, điện trường khí gia tăng nhanh chóng khoảng vài ngàn ( vôn/mét), đầu thu sét PREVECTRON thu lượng điện trường khí hệ thống điện cực phía Năng lượng tích trữ thiết bị ion hóa Trước xảy tượng phóng điện sét ( mà ta TRANG 34 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thường gọi ‘sét đánh’), có gia tăng nhanh chóng đột ngột điện trường khí quyển, ảnh hưởng tác động làm thiết bị ion hóa giải phóng lượng tích lũy dạng ion, tạo đường dẫn tiên đạo phía trên, chủ động dẫn sét c Đặc điểm trình ion hóa : Quá trình ion hóa đặc trưng tính chất sau: • Điều khiển giải phóng ion thời điểm: Thiết bị ion hóa cho phép ion phát khoảng thời gian ngắn thời điểm thích hợp đặc biệt, vài phần giây trước có phóng điện sét, đảm bảo dẫn sét kịp thời, xác an toàn • Sự hình thành hiệu ứng Corona : Sự xuất số lượng lớn electron tiên đạo với gia tăng điện trường có tác dụng rút ngắn thời gian tạo hiệu ứng Corona • Sự chuẩn bị trước đường dẫn sét phía : Đầu thu sét PREVECTRON phát đường dẫn sét chủ động phía nhanh điểm nhọn gần Do đảm bảo dẫn sét chủ động xác Trong phòng thí nghiệm, đặc điểm đặc trưng đại lượng ΔT, độ lợi thời gian phát đường dẫn sét phía đầu thu sét PREVECTRON loại kim loại thu sét thông thường khác d Phân loại : Có loại đầu thu sét PREVECTRON (được phân chia theo cấu tạo thời gian phát triển sớm tia tiên đạo ΔT ), loại chia làm hai nhóm khác nhau: ♦ Loại cấu tạo đồng: kim thu sét trung tâm điện cực chế tạo đồng đảm bảo thu dẫn sét tốt ♦ Loại cấu tạo thép không rỉ: kim thu sét trung tâm, điện cực hộp bảo vệ làm thép không rỉ Loại đầu thu sét thích hợp với môi trường ăn mòn nơi có nhiều bụi bặm Loại Δ T(S ) P (kg) S6.60 60 4,2 S4.50 50 4,0 S3.40 40 3,8 TS3.40 40 2,5 TS2.25 25 2,3 TRANG 35 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Vùng bảo vệ : Vùng bảo vệ Rp đầu kim thu sét PREVECTRON tính theo công thức định tiêu chuẩn NFC 17-102 (7/1995) Rp = h(2 D − h) + ΔL(2 D + ΔL) với h ≥ 5m ( h