Thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM

Thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM

T

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công cuộc đổi mới, xây dựng và phát triển của đất nước ta, ngày càng có nhiều công trình xây dựng, nhà máy mọc lên nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho nhân dân Bên cạnh sự

ưu đãi của thiên nhiên cho con người cũng kèm theo sự khắc nghiệt của nó Trong đó sét là một hiện tượng tự nhiên có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người và tài sản Vì vậy, ngoài việc xây dựng các công trình chúng ta cần phải có biện pháp bảo vệ tránh được thiệt hại do sét gây ra

Năm 1752 nhà bác học người Mỹ là Benjamin Franklin đã khám phá ra nguyên tắc cơ bản trong việc phòng chống sét trực tiếp là dùng cột nhọn (kim Franklin) để thu sét và dẫn sét xuống đất, bảo vệ các công trình xây dựng

Tuy nhiên, kim Franklin cũng có nhượt điểm là phạm vi bảo vệ hẹp , làm việc không tin cậy và không hiệu quả Ngày nay, với sự phát triển của KHKT, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo được các thiết bị thu sét hiệu quả hơn Trong tập kuận án này xin trình bày các lý luận cơ bản về sét và các phương pháp phòng chống sét trực tiếp sử dụng công nghệ mới bao gồm nội dung là:

quan

Sinh viên thực hiện

CAO MINH TRIẾ

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ SÉT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

PHÒNG CHỐNG SÉT

A TỔNG QUAN:

Nước Việt Nam ta thuộc vùng khí hậu nhiệt đới, nóng và ẩm thuận lợi cho việc hình thành mây dông và sét Ngày nay, khi nền kinh tế đất nước phát triển tình hình xây dựng cũng phát triển rầm rộ, nhiều toà cao ốc, khu công nghiệp ra đời, do đó việc phòng chống sét là một vấn đề cần được quan tâm

Để thiết kế được hệ thống chống sét cho một công trình cần phải có sự hiểu biết cơ bản về điện khí quyển, các hiện tượng phóng điện trong khí quyển (cũng như các hiện tượng phóng điện giữa đám mây với mặt đất)

1/ Quá trình phóng điện của sét:

1.1/ Sự hình thành mây dông và sét:

Dông là hiện tượng xãy ra chủ yếu vào mùa hạ liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ của đối lưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển Dông được đặt trưng bởi sự xuất hiện những đám mây dông hay mây tích vũ (Cumulonimbus) có độ dầy từ 10 ÷ 16 Km, tích tụ một lượng nước và tạo ra những điện thế cực mạnh

Trong thực tế sự hình thành các cơn dông gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khí khổng lồ từ mât đất bốc lên Các luồng không khí này được hình thành do sự đốt nóng bởi ánh sáng mặt trời, đặc biệt ở các vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với không khí lạnh (dông Front) Sau khi đã đạt được độ cao nhất định (khoảng vài ki-lô- met trở lên – vùng nhiệt độ âm), luồng không khí ẩm này bị lạnh đi – hơi nước ngưng tụ thành những giọt nhỏ li ti hay các tinh thể băng và tạo thành những đám mây dông

Đã từ lâu người ta khẳng định về nguồn tạo ra điện trường giữa các đám mây dông và mặt đất chính là những điện tích tích tụ trên các hạt nước li ti và các tinh thể băng của các dám mây dông đó Qua nhiều lần đo đạt thực nghiệm, người ta thấy rằng khoảng 80 ÷ 90% phần dưới các đám mây dông chủ yếu chứa điện tích âm, từ đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ

Hình 1.1: Sự phân bố điện tích giữa các đám mây và mặt đất

Hình trên (hình 1.1) cho ta thấy sự phân bố điện tích trong một đám mây và trên mặt đất Khi phần dưới của đám mây mang điện tích âm bị hút về phía mây mang điện tích dương trên mặt đất, vật nào trên mặt đất càng cao thì khoảng cách giữa vật và đám mây càng nhỏ và lớp không khí ngăn cách giữa vật và mây càng nhỏ cũng như lớp ngăn cách các điện tích trái dấu càng mỏng Ơû những nơi này sét dễ đánh xuống mặt đất Khi đến gần nhà cao, cây cao thì mây dông mang điện tích âmhút các điện tích dương làm cho chúng tập trung lại ở một điểm cao nhất: trên mái nhà, ngọn cây,…(còn gọi là hiệu ứng mũi nhọn) Nếu điện tích mây lớn thì trên mái nhà, ngọn cây,… cũng tập trung một điện tích lớn Đến một mức độ nào đó độ lớn của các điện tích trái dấu nói trên sẽ tạo nên một sự chênh lệch điện thế để đánh thủng lớp không khí ngăn cách nó với mặt đất (cường độ điện trường ở mặt đất lúc này khoảng 25 ÷ 30kV/cm), lúc này xãy ra hiện tượng phóng điện giữa đám mây dông và mặt đất

Hình 2.1 : Sự phát sinh của sét trong đám mây dông

Sét thực chất là một dạng phóng tia lửa điện trong không khí với khoảng phóng đện rất lớn Chiều dài trung bình của kênh sét khoảng từ 3 ÷ 5 Km Phần lớn chiều dài đó phát triển trong đám mây dông Quá trình phóng điện của sét tương tự quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn

1.2/ Các giai đoạn phóng điện của sét:

Ban đầu xuất phát từ mây dông một dãi sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105 ÷ 106 m/s , đó là giai đoạn phóng điện tiên đạo theo từng đợt Kênh tiên đạo là một dòng Plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013÷1014 ion/m3 Một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh vàphân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó (Hình 1.3a)

Thời gian phát triển của kênh tiên đạo mỗi đợt kéo dài khoảng 1s (mỗi đợt kênh tiên đạo kéo dài thêm trung bình vài chục mét) Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng từ 30

÷ 90 m

Hình 3.1: Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian

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

Với: σ là mật độ điện tích

L là chiều dài kênh

Điện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng điện tích chạy vào đất trong một lần phóng điện sét Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của mây dông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu (thường là điện tích dương) trên vùng mặt đất phía dưới đám mây dông Nếu vùng đât phía dưới bằng phẳng và có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điện tích sẽ tập trung chủ yếu 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 nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt,… những nơi đó sẽ là nơi đổ bộ của sét

Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của nó (trong mây dông) được xác định bởi điện tích bản thân của kênh và của điện tích tích tụ ở đám mây Đường đi của

kênh tiên đạo này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao định hướng nào đó thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng sự tập trung điện tích ở mặt đất và ở các vật thể dẫn điện nhô khỏi mặt đất với hướng phát triển tiếp tục của kênh theo hướng có cường độ điện trường lớn nhất

Ơû những nơi vật dẫn có độ cao (nhà cao tầng, cột ăng ten, đài phát thanh,…) từ đỉnh của nó nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều sẽ đồng thời xuất hiện ion hóa tạo nên dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên trên tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét vào vật dẫn đó

Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược lại hay phóng điện chủ yếu (tương tự như các quá trình phóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất (Hình 1.3b) Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất, cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt dẫn đến hình thành một dòng Plasma có mật độ điện tích từ 1016 ÷ 1019 ion/m3 cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn vào dòng ngược và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất làm cho cường độ trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ như vậy dòng Plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên trên theo đường chọn sẵn của kênh tiên đạo Tốc độ phát triển của kênh tiên đạo phóng ngược rất cao vào

trăm lần tốc độ phát triển của kênh tiên đạo hướng xuống Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói còn gọi là chớp Đặt điểm quan trọng nhất của phóng điện chủ yếu là cường độ dòng điện lớn

Gọi V là tốc độ của phóng điện , σ là mật độ điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trị cao nhất (Hình 1.3c):

is = σV

Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích còn lại của mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trị số nhất định giảm nhanh tương ứng với phần đuôi sóng (Hình 1.3d)

Kết quả quan trắc sét cho thấy phóng điện sét thường xãy ra nhiều lần kế tục nhau (trung bình là

3 lần, nhiều nhất có thể đến vài chục lần) Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không theo từng đợt như lân đầu), không phân nhánh và theo đúng quĩ đạo của lần đầu nhưng với tốc độ cao hơn (2.106m/s)

Qua nghiên cứu về sét, người ta lý giải được sự phóng điện nhiều lần của sét như sau: trong đám mây dông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau được hình thành do những luồng không khí xoáy Lần phóng điện đầu đưọc xãy 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 điện tích này với trung tâm điện tích đầu tiên thực tế không thay đổi và ít có ảnh hưởng qua lại với nhau 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 làm cho hiệu điện thế giữa trung tâm đã phóng với trung tâm điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện với nhau Khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện thế dẫn nhất định

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 cao hơn lần đầu

Hình 4.1: Quá trình phát triển của phóng điện sét

2/ Các thông số của sét:

Dòng điện sét được xem như một sóng xung có dạng đường cong (Hình 5.1) Thường trong khoảng vài ba µs dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo thành phần đầu sóng, sau đó giảm chậm từ 20

÷ 100 µs tạo nên phần đuôi sóng

- Các tham số chủ yếu:

+ Biên độ dòng sét: là giá trị lớn nhất của dòng điện sét

+ Thời gian đầu sóng (τđs ): là thời gian mà dòng sét tăng từ 0 đến giá trị cực đại

+ Độ dốc dòng điện sét: a = dis/dt

+ Độ dài dòng sét (τs): là thời gian từ đầu dòng sét đến khi dòng sét giảm ½ biên độ

Hình 5.1: Dạng sóng dòng điện sét

2.1/ Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện:

Dòng điện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu đến trung tâm điện tích của đám mây dông

Xác suất xuất hiện dòng điện sét có thể tính gần đúng theo công thức:

+ Cho vùng đồng bằng:

VI = e-is/60 = 10-is/60, hay lgVI = -is/60 (đường cong1)

+ Cho vùng núi cao:

VI = 10-is/30 , hay lgVI = -is/30 (đường cong 2)

(VI là xác suất xuất hiện dòng điện sét, có biên độ lớn hơn hoặc bằng is)

Chẳng hạn, xác suất phóng điện sét có biên độ dòng sét is ≥ 60KA :

Có nghĩa là trong tổng số lần sét đánh chỉ có 10% số lần sét có biên độ dòng điện sét từ 60KA trở lên

2.2/ Độ d ác đầu sóng d øng điện sét và xác suất xuất hiện o o :

Để đo độ dốc dòng điện sét người ta dùng một khung bằng dây dẫn nối vào một hoa điện kế Khi sét đánh vào cột thu sét với độ dốc a thì trong khung sẽ cảm ứng lên một sức điện động bằng Mdis/dt (M là hệ số hổ cảm giữa dây dẫn dòng điện sét của cột thu sét với khung)

Điện áp đầu ra của khung: U = M(dis/dt)max

Độ dốc lớn nhất của dòng điện sét chạy qua cột: a = (dis/dt)max, (KA/µs)

* Xác suất xuất hiện độ dốc có thể tính theo:

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

+ Cho vùng núi cao: Va = 10-a/18

2.3/ Cường độ hoạt động của sét:

Cường độ hoạt động của dông sét được xác định bằng số ngày dông trong một năm và xem như trị số trung bình qua nhiều năm quan sát và đo đạt ở những địa phương khác nhau Số lần sét đánh luôn thay đổi trong một ngày

Theo tài liệu “Hướng dẫn thiết kế bảo vệ chống sét cho nhà ở và công trình – CH 305 – 69” của Liên Xô củ ,số lần sét đánh trong một năm vào công trình (khi chưa có hệ thống bảo vệ chống sét) được xác định theo công thức sau:

(S + 3hx)(L + 3hx)n

N =

106

trong đó: S – chiều rộng của nhà(công trình) , m

L – chiều dài của nhà(công trình), m

hx – chiều cao tính toán của nhà(công trình), m

n – số lần sét đánh trung bình trên 1Km2 trong một năm xãy ra ở địa phương xây dựng nhà(công trình)

* Số lần sét đánh trung bình trên 1Km2 trong một năm:

5 6,3 7,5

* Số ngày dông trung bình trong năm ở một số địa phương của Việt Nam (theo số liệu của tổng cục khí tượng thủy văn thống kê):

rịa - Vũng tàu

c thái - Thái nguyên

ánh hòa - Nha trang

n giang - Rạch giá

ú quốc

châu

g sơn

cai

m đồng - Đà lạt

nh hải - Cà mau

m hà - Nam định

77,8 96,9 52,1 80,7 93,7 112,2 129,9 96,8 101,3 103,1 93,6 87,2 92,8 72,3 78,6 78,6 45,0 110,4 99,4 97,0 89,5 77,6 89,8 118,9 72,2

26272829303132333435363738394041424344454647484950

hệ an - Vinh

ú yên - Tuy hòa ảng bình - Đồng hới ảng nam - Đà nẵng ảng ngãi

ảng ninh - Hòn gai ảng trị - Đông hà

ng bé - Phước long

n la ninh

ai bình anh hóa

ưa thiên - Huế

n giang - Mỹ tho vinh - Càng long ên quang

n bái

n đảo ờng sa

3/ Tác hại của dòng điện sét:

- Khi một công trình bị sét đánh trực tiếp dòng sét sẽ gây tác hại về cơ , nhiệt và điện từ

- Nếu các công trình nối liền với các vật dẫn điện kéo dài như : đường dây điện, dây điện thoại, đường rây, ống nước gas bằng kim loại, những vật dẫn ấy có thể mang điện thế cao từ xa đến khi chúng bị sét đánh, gây nguy hiểm cho người và các thiết bị nối với nó

- Cần chú ý là điện áp có thể cảm ứng trên các vật dẫn (cảm ứng tĩnh điện, hoặc các dây dẫn điện tạo thành những mạch vòng cảm ứng điện từ) Khi có phóng điện sét ở gần điện áp này có thể lên đến hàng chục kV và do đó rất nguy hiểm

Như vậy, sét có thể gây nguy hiểm trực tiếp và gián tiếp cần phải có các phương pháp phòng chống sét trực tiếp và gián tiếp hữu hiệu, giảm thiểu các rủi ro do sét gây ra

B CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT TRỰC TIẾP :

1/ Khái niệm chung:

Để chống sét đánh trực tiếp cho đến nay thường dùng hệ thống thu sét bằng cột thu lôi, đối với các tòa nhà công nghiệp, trạm, kiến trúc cao tầng, bộ phận thu sét có thể dùng kim, dây, đai hoặc lưới thu sét Yêu cầu của việc chống sét là toàn bộ công trình được bảo vệ cần phải nằm trong vùng bảo vệ của hệ thống thu sét, hệ thống này có thể nằm ngay trên kết cấu công trình hay đặt cách ly tùy thuộc vào hoàn cảnh và điều kiện cụ thể Song song với việc chọn lựa hệ thống thu sét còn lưu ý đến vấn đề nối đất chống sét, nối đất bảo vệ và nối đất chống sét cảm ứng Phương án chống sét được chọn phải có hiệu qủa chống sét cao, chi phí đầu tư xây dựng ít nhất và yếu tố mỹ quan cũng cần được xem xét

Hệ thống chống sét cơ bản gồm có các điện cực (kim thu sét) được nối với dây dẫn xuống, dây dẫn xuống lại được nối với lưới tiếp đất Vai trò của các điện cực trở thành điểm mục tiêu sét chọn đánh Mạng dây dẫn xuống sẽ truyền năng lượng sét xuống đất, còn lưới tiếp đất có nhiệm vụ tản năng lượng sét vào trong đất

2/ Chống sét theo phương pháp cổ điển:

2.1 Kim thu sét Franklin:

- Vào năm 1752 nhà khoa học người Mỹ Benjamin Franklin đã phát hiện ra các nguyên tắc chống sét cơ bản này Các điện cực Franklin có độ cao thay đổi từ 2m đến 3m hoặc cao hơn Các thanh Franklin này được đặt ở nhiều điểm trên nóc nhà hoặc đỉnh cột cao Cột thu sét có nhiều kiểu khác nhau, về cấu tạo bao gồm các bộ phận sau:

+ Kim thu sét (1)

+ Cột gắn kim thu sét (2)

+ Dây dẫn truyền năng lượng sét xuống đất (3)

+ Bộ phận nối đất (4)

Hình 6.1: Cột thu sét

Kim thu được làm bằng thép cán với nhiều loại tiết diện khác nhau, đỉnh kim không nhỏ hơn

nhỏ hơn 3mm Chiều dài hiệu dụng của kim không được nhỏ hơn 200mm Kim thu có thể mạ kẽm, thiếc, sơn dẫn điện

Nếu cột làm bằng kim loại có thể dùng thân cột để làm dây dẫn sét, cột làm bê tông lõi thép có thể dùng thép trong cột làm dây dẫn sét, và đối với những nhà, công trình có những cấu kiện bằng thép hoặc bê tông cốt thép thì có thể dùng các phần kim loại của cấu kiện để làm dây dẫn sét.Trong các trường hợp trên, phần kim loại dùng vào việc truyền dẫn dòng điện sét phải có tiết diện từ 100mm trở lên (với thép) và phải bảo đảm liên tục về mặt dẫn điện

2.2 Đai và lưới thu sét:

Đai và lưới thu sét dùng để chống sét đánh thẳng có thể làm bằng thép dẹp hay tròn với tiết diện không được nhỏ hơn 35mm2 Đai hoặc lưới cho phép đặt bên dưới lớp chống thấm hay lớp cách nhiệt của nó

Cũng có thể đặt kết hợp kim ngắn lên lưới thu sét, khoảng cách trung bình giữa các kim trên lưới từ 6 ÷ 12m (viền theo chu vi mái), kim dùng thép tròn 12 ÷16mm có chiều cao khoảng 0,5m

Hình 7.1: Lưới thu sét

2.3 Dây thu sét:

Dây thu sét được dùng để bảo vệ cho những công trình có dạng hẹp và kéo dài cụ thể như các đường dây dẫn điện trên không, có chiều dài đáng kể

Dây thu sét cũng có thể kết hợp với cột thu sét để bảo vệ cho các trạm phân phối điện Dây thu sét phải làm bằng thép, tiết diện dây không được nhỏ hơn 50mm2 và không được lớn hơn

Hình 8.1: Dây thu sét

2.4 Cách xác định vùng bảo vệ:

+ Phương pháp quả cầu lăn:

Giữa điện tích và cường độ điện trường tại mũi tiên đạo sét cũng như giữa điện tích và biên độ dòng sét có một mối quan hệ Từ mối quan hệ này một phương pháp được đưa ra vào cuối thập niên

70 nhằm xác định điểm sét đánh dựa trên cơ sở của độ dài khoảng cách phóng điện, gọi là phương pháp “Quả cầu lăn” và phương pháp này đã được đưa vào tiêu chuẩn của Uùc AS 1768 - 1991

Người ta giả thiết mũi tiên đạo sét ở điểm giữa (tâm) một quả cầu có bán kính bằng độ dài của khoảng cách phóng điện, như vậy sẽ có những điểm bề mặt quả cầu chạm với mặt đất hoặc các bộ phận trên bề mặt đất, những điểm chạm đó có thể là những điểm sét đánh, cũng có các vùng bề mặt quả cầu không thể chạm đến, điều này được minh họa trên hình 9.1

Quả cầu này có bán kính khoảng 45m đối với mức bảo vệ tiêu chuẩn (dòng điện sét đánh 10KA và hơn nữa) Đối với các công trình quan trọng (dễ cháy, nổ), người ta thiết kế quả cầu có bán kính 20m

Vùng bề mặt cầu không chạm tới được có thể ngăn cản sét gọi là vùng bảo vệ

Khoảng cách phóng điện Ds (độ dài cản sét) phụ thuộc vào biên đô dòng sét có thể xác định bằng công thức : Ds = 6,7.I0,8 ,m

Với I : là biên độ dòng sét (KA) phụ thuộc vào mức bảo vệ

Hình 9.1 : Mô tả vùng bảo vệ theo phương pháp quả cầu lăn.

+ Phương pháp hình nón:

a Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là một hình nón tròn xoay có đường sinh dạng hyperbol, có tiết diện ngang là những hình tròn với bán kính rx được xác định:

Hình 10.1 : Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

Để đơn giản trong thiết kế người ta thường thay thế đường cong bậc hai (đường sinh) của hình nón tròn xoay này bằng một đoạn đường gãy khúc vơí các phương trình đơn giản sau:

Hình 11.1 : Phạm vi bảo vệ của cột thu sét với cách vẽ đơn giản hóa

Thực nghiệm cho thấy là nên dùng nhiều cột với độ cao không lớn để bảo vệ thay cho một cột có độ cao lớn ; phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ của 2 cột đơn

Hình 12.1: Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau

trong khoảng giữa 2 cột sẽ không bị sét đánh, từ đó suy ra nếu 2 cột thu sét đặt cách nhau một khoảng a < 7h thì sẽ bảo vệ được độ cao ho xác định bởi:

a a

h - ho = ⇒ ho = - ho

8

Các phần bên ngoài giống như trường hợp 1 cột, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung

đi qua 3 điểm : 2 đỉnh cột và một điểm ở giữa có độ cao ho, (ho được xem như độ cao của cột thu sét giả tưởng nằm giữa 2 cột)

h1’ = h2 và khu vực bảo vệ giữa 2 cột h2 và h1’ cách nhau a’ đã được trình bày như 2 cột thu có độ cao bằng nhau

Hình13.1: Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao không bằng nhau

Khi công trình cần được bảo vệ có phạm vi rộng lớn sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ Phần ngoài của phạm vi bảo vệ được xác định như của từng đôi cột Cần phải kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn cho toàn diện tích cần được bảo vệ Vật có độ cao hx sẽ nằm trong vùng được bảo vệ nếu thỏa mãn điều kiện :

a

Hình 14.1: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét

Hình 15.1: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét

b Ph ïm vi bảo vệ của dây chống sét (DCS) :

Dây chống sét thường dùng để bảo vệ cho đường dây tải điện trên không Để bảo vệ người

ta treo dây chống sét trên toàn bộ tuyến đường dây Tùy theo cách bố trí dây dài trên cột, có thể treo 1 hay 2 dây chống sét sao cho dây dẫn điện của 3 pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của DCS

- Dải bảo vệ bx của cột treo 1 DCS được tính theo công thức:

+ Ở độ cao hx > 2/3 h thì:

bx = 0,6h (1-hx/h) p

+ Ở độ cao hx < 2/3 h thì:

bx = 1,2h (1-hx/0,8h) p

Hình 16.1: Phạm vi bảo vệ của 1 dây chống sét

- Phạm vi bảo vệ của 2 DCS :

Khi 2 DCS đặt cách nhau một khoảng S = 2B = 4h thì mọi điểm trên mặt đất nằm giữa 2 dây này sẽ được bảo vệ an toàn và nếu S < 4h thì có thể bảo vệ cho các điểm (giữa 2 dây) có mức cao tới :

ho = h - S/4p

Hình 17.1: Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét Khi dây dẫn bố trí ngang thì điều kiện để dây nằm giữa với độ cao hDD được bảo vệ là khoảng cách S giữa 2 DCS phải thỏa điều kiện :

S < 4p (hDCS - hDD)

Giới hạn phạm vi bảo vệ ở phía ngoài ở 2 DCS cũng giống như từng DCS riêng lẻ, còn khu vực bảo vệ giữa 2 DCS được giới hạn bởi cung tròn vẽ qua 2 điểm, ở giữa có độ cao ho

- Phạm vi bảo vệ của DCS trong thực tế:

Độ treo trung bình của dây dẫn thường hơn 2h/3, do đó trong trường hợp này chỉ cần xác định đúng góc bảo vệ α là đủ (α : góc tạo bởi đường thẳng nối liền điểm treo dây CS với dây dẫn và đường thẳng góc với mặt đất qua điểm treo DCS (hình 18.1), α càng bé thì xác suất sét đánh vào

DD càng bé

Trường hợp giới hạn hDD = 2hDCS/3 thì αgh = 31o (tgαgh = 0,6)

cho các đường dây tải điện quan trọng

Hình:18.1

3 Chống sét theo phương pháp hiện đại:

Trong những thập niên vừa qua nhiều cuộc nghiên cứu vàthử nghiệm được tiến hành nhiều nơi trên thế giới như ở Uùc, Pháp, Mỹ nhằm tạo ra một đầu thu đặc biệt có đặc tính tốt hơn đầu thu

sét thông thường và có phạm vi bảo vệ rộng hơn Vào năm 1914 nhà vật lý người Hungari là Sziza đặt

ra câu hỏi nếu cột Franklin có được cải tiến hay không khi thêm vật liệu phóng xạ tạo ra các ion tăng sự thu hút của sét ? Vài vật liệu phóng xạ đã được dùng là Uranium và Thyradium, cường độ của vật liệu phóng xạ được giới hạn là 1mili Curie là mức an toàn đối với con người Ngoài ra, năm 1964 Ball đề xuất việc dùng tia Laze để phóng điện vào các đám mây dông, nó có thể chặn một tiên đạo khi tia tiên đạo phát triển hướng xuống đất Tia Laze có tác dụng như một dây dẫn từ đám mây đến đất và kết thúc bằng một dây dẫn xuống và nối với một hệ thống nối đất Và một số phương pháp nữa Tuy nhiên nhiều cuộc tranh luận và thử nghiệm xoay quanh các đề tài đó đi tới một kết cục là nhiều ý tưởng khó mà thực hiện được và khó mà chứng minh được tính hiệu quả của nó

Qua quan sát 30 năm trở lại đây, có các loại điện cực thu sét được cải tiến như:loại điện cực phóng xạ, loại điện cực phát xạ sớm đã được ứng dụng vào thực tiễn

Trên thị trường Việt Nam hiện nay đang dùng các loại đầu thu phát xạ sớm (ESE), gồm có Prevectron của hãng Indelec (Pháp), EF của hãng EF Carrich System (Thụy Sỉ), Dynasphere, Interceptor của hãng Global (Uùc)

3.1 Kim thu sét phát xạ sớm:

Về cơ bản thiết bị chống sét tạo tia tiên đạo bao gồm:

- Kim thu sét trung tâm bằng đồng điện phân hoặc thép, hợp kim không rỉ Kim này có tác dụng tạo một đường dẫn dòng sét liên tục từ tia tiên đạo và dẫn xuống đất theo dây dẫn sét

- Thiết bị tạo ion, giải phóng ion và tạo tia tiên đạo Đây là tính năng đặc biệt của đầu thu sét phát xạ sớm Nhờ thiết bị này mà đầu thu sét có thể tạo ra vùng bảo vệ rộng lớn với mức độ an toàn cao

Về nguyên tắc hoạt động trong trường hợp dông bão xảy ra điện trường khí quyển gia tăng khoảng vài ngàn Vôn/mét, đầu thu sét sẽ thu năng lượng điện trường khí quyển, năng lượng này được tích trữ trong thiết bị ion hóa Trước khi xảy ra hiện tượng phóng điện sét có một sự gia tăng nhanh chóng và đột ngột của điện trường khí quyển, ảnh hưởng này tác động làm thiết bị ion hóa giải phóng năng lượng đã tích lũy dưới dạng ion tạo ra một đường dẫn tiên đạo về phía trên, chủ động dẫn sét

- Quá trình ion hóa được đặc trưng bởi:

+ Thiết bị ion hóa cho phép ion phát ra trong khoảng thời gian rất ngắn và tại thời điểm thích hợp đặc biệt, chỉ vài phần của giây trước khi có phóng điện sét, do đó đảm bảo dẫn sét kịp thời chính xác

+ Sự xuất hiện một số lượng lớn các electron tiên đạo cùng với sự gia tăng của điện trường có tác dụng rút ngắn thời gian tạo hiệu ứng Corona

+ Đầu thu ESE phát ra một đường dẫn sét chủ động về phía trên nhanh hơn bất cứ điểm nhọn nào gần đó

3.2 Ca h xác định vùng bảo vệ : ùc

Tùy theo công nghệ chế tạo của từng loại đầu thu mà các nhà sản xuất đưa ra công thức tính toán phạm vi bảo vệ

+ Phạm vi bảo vệ của kim thu Prevectron được tính theo công thức:

Rp = √ h(2D - h) + [∆L(2D + ∆L)] (với h>5m )

Trong đó : ∆L = 106.∆T , (m)

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

D = 20m vơiù cấp bảo vệ cao nhất

D = 45m với cấp bảo vệ trung bình

D = 60m với cấp bảo vệ tiêu chuẩn

chú thích: với h ≤ 5m tra theo bảng của nhà sản xuất

Hình 19.1 : Vùng bảo vệ của đầu thu Prevectron + Phạm vi bảo vệ của đầu thu Dynasphere được xây dựng trên phương pháp Collection Volume của tiến sĩ A.J.Eriksow.Phương pháp này được mô tả như sau:

Điện tích Q phân bổ dọc theo luồng điện phóng xuống gây sự tăng nhanh điện trường giữa nó và điểm tiếp đất Khi đạt đến giá trị điện trường tớái hạn, điểm tiếp đất phóng một luồng tiếp nhận lên trên Khoảng cách ở nơi xảy ra sự kiện này gọi là “khoảng cách sét đánh” Điện trường tớái hạn tùy thuộc vào cả điện tích phóng xuống và cả khoảng cách đến điểm tiếp đất Hình 20.1, cho thấy sự hình thành bán cầu khoảng cách sét xung quanh một điểm tiếp đất đơn độc , điện tích phóng càng lớn khoảng cách này càng lớn Nếu luồng phóng xuống gần đến chu vi của hình cầu, vận tốc của nó có thể mang nó tiến đến trước để tiếp nhận một luồng điện phóng lên khác Như vậy, có thể có trường hợp luồng điện phóng xuống đi vào trong bán cầu phóng sét mà không có sự tiếp nhận (vì khoảng cách từ tia tiên đạo đến điểm phóng lên khác, nhỏ hơn từ tia tiên đạo đến điễm đang xét ) Trong hình 20.1 một hình Parabol giới hạn được đặt trên bán cầu Đường Parabol này được hình thành trên các yếu tố vận tốc và hoàn chỉnh thể tích thu (Collection Volume) Vậy chắn có sự tiếp nhận bởi một điểm liên hệ trên mặt đất Hình 20.1 cũng cho thấy thể tích thu trở nên rộng hơn với sự tăng điện tích luồng có thể nói rằng luồng phóng xuống đi vào một thể tích như thế thì về lý thuyết chắc phóng xuống Có nghĩa là dòng điện sét càng lớn thể tích thu càng lớn

Hình 20.1: Vùng thu sét,bán cầu được bao bởi một parabola giới hạn

Một chương trình máy tính BENJI do Lightning Protection International Ply Ltd xây dựng Nó tính toán mật độ điện trường tương ứng ở mỗi giai đoạn và so sánh sự gia tăng điện trường của các điểm đối diện (các góc và cạnh tòa nhà, ăng ten, thiết bị ) Sau đó chương trình tính ra điểm nào tạo ra tiên đạo hướng lên đầu tiên gặp tiên đạo hướng xuống Sự phóng điện chính phóng trở lại theo đường tiên đạo phóng lên / phóng xuống Có thể tính toán bán kính thu cho mỗi điểm thích ứng

Các đầu thu của hãng Global đã chứng minh khả năng tạo ra nhiềuthể tích thu lớn hơn cột Franklin

4 Dây thoát sét:

Có nhiệm vụ dẫn dòng sét từ đầu thu sét đến hệ thống nối đất Dây dẫn sét có 3 dạng chính là dẹp, tròn hay bện nhiều sợi Tiết diện thực của chúng phải lớn hơn hoặc bằng 50mm Tùy theo điều kiện môi trường và công trình mà các loại dây dẫn được chọn :

- Dây đồng trần điện phân mạ thiếc có tính dẫn tốt

- Dây thép không rỉ dùng trong môi trường ăn mòn cao

- Dây nhôm gắn trên bề mặt công trình bằng nhôm

Có thể dùng cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép của công trình ,các vỏ bọc bằng kim loại bên ngoài công trình , các ống kim loại, làm dây dẫn sét ( đối với công trình có bảo vệ chống sét cấp

2, 3 )

Gần đây, còn dùng một dây xuống có bọc cách điện (dây Ericore) Thuận lợi chính của loại vật dẫn này cho phép người thiết kế hướng dòng sét đi vòng qua các vùng nhạy cảm, cáp này có thể đi ngầm bên trong của kết cấu công trình Trong hầu hết trường hợp chỉ cần một dây dẫn xuống có bọc

5 Hệ thống nối đất:

5.1 Nối đất chống sét

Thiết bị nối đất thường là các cọc, thanh bằng kim lọai hay băng đồng phẳng có hình dạng và kích thước khác nhau chôn trong đất Cọc thường được chế tạo bằng các loại thép ống, thép tròn thép góc.Thanh được chế tạo bằng các băng thép dẹt, thép tròn

Hệ thống nôí đất phải đãm bảo yêu cầu chi phí kim loại nhỏ nhất, bảo đảm độ bền cơ, bảo đảm về chống ăn mòn khi đặt trong đất

Có thể xử dụng các kết cấu kim loại của công trình để làm nối đất tự nhiên như móng , ống dẫn nước bằng kim loại chôn trong đất, vỏ cáp ngầm, nhằm mục đích giảm gía thành xây dựng hệ thống nối đất cho công trình

Trị số điện trở nối đất càng bé tác dụng tản dòng điện sét càng cao Đối với vùng đất có độ dẫn điệnxấu có thể dùng muối, than để cải thiện độ dẩn điện của đất Hiện nay người ta còn dùng hóa chất cải tạo đất để làm giảm điện trở suất của đất

Trong hệ thống nối đất còn có các bộ phận khác với mục đích kiểm tra và an toàn :

+ Nối kiểm tra : dùng để tách riêng dây dẫn xuống và hệ thống nối đất, nhờ đó có thể đo chính xác điện trở hệ thống nối đất

+ Hộp quan sát : dùng để kiểm tra sự kết nối giữa dây dẫn xuống và hệ thống nối đất + Ống bảo vệ: bảo vệ khoảng dây dẫn xuống nối kiểm tra và mặt đất tránh khỏi các va chạm có thể gây hư hỏng cho dây dẫn xuống

+ Máy đếm sét: để đếm những cú sét thực sự xảy ra cho một kiến trúc hay cho một hệ thống dây dẫn xuống

5.2 N ái đất đẳng thế: o

Khi dòng điện sét đi qua dây dẫn sét, có một sự chênh lệch điện thế giữa dây dẫn này và các cấu trúc kim loại đặt nối đất bên cạnh Sự phóng điện nguy hiểm có thể xảy ra giữa dây dẫn sét và những bộ phận kim loại này

Tùy thuộc vào khoảng cách giữa dây dẫn sét với những bộ phận kim loại nối đất khác mà việc nối đẳng thế cần hay không cần thiết Khoảng cách tối thiểu không xảy ra sự phóng điện nguy hiểm gọi là khoảng cách an toàn Khoảng cách này phụ thuộc vào cấp bảo vệ, số dây dẫn sét, khoảng cách từ điểm nối đất đến các bộ phận kim loại đó

Sự phóng điện 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 đất khác lớn hơn giá trị S Với S là khoảng cách an toàn và được tính :

S = n (KI/Km) l

+ 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 hay nhiều hơn dây dẫn sét

+ KI : là hệ số phụ thuộc vào vùng bảo vệ

KI = 0,1 đối với công trình có cấp an toàn cao nhất

KI = 0,075 đối với công trình có cấp an toàn trung bình

KI = 0,05 đối 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 đất liên quan

Km = 1 khi giữa chúng là không khí

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

+l : là chiều dài dọc theo dây dẫn sét từ điểm tính khoảng cách đến điểm nối đẳng thế gần đó nhất

Việc nối đẳng thế không được thực hiện với loại ống dẫn các chất gây cháy nổ,

6 So sánh các loại đầu thu sét:

Bảng 3.1:

Loại điện cực

vệ này hiện nay cấm dùng

u nước

nhiều điện cực trên nóc t

cần một điện cực bảo vệ c

n bộ gồm nhà và các vù

cận

ng S3000 Tuy nhiên b

h thu hút sét còn bị nghi ngơcho nhà được bảo vệ Khôvệ được cho các vùng cô

g

nh trên mái nhà

nhiều hiệu quả vì sử dụ

g nghệ mới g nghệ lỗi thời, bị cấm dùngm hiệu quả do áp dụng côệ có từ trước năm 1763

phí thấp so với các hệ thố

ng có các phần động, tu

không giới hạn các phần động, có nguồn cubên trong, có nguồn phó

có các tụ điện cần thay thkhông bảo quản điện cực không có hiệu quả

i thọ giới hạn do các thà

n bị ăn mòn hoặc bị phá hoạ

lắp đặt, chỉ cần một dây d

ng (dây ERICORE) ng S3000 m theo chu vi nhà cần một dnhiều dây dẫn xuống

xuống ERICORE loại trừ được n

biên gây chết người,

g thiết bị

dẫn xuống cũ, kỹ thu

ng tiên tiến bằng ERICOREng có hiệu quả dẫn xuống thông thườ

lắp đặt, không tốn kém, d

xuống không gây trở ng

hể đặt bên trong

ngoài không có mỹ quan, hóa

m nguồn phóng xạ không ng

m Một vài điện cực có ngu

g cấp riêng đòi hỏi bảo dưỡhay thế thường xuyên

như không thể bảo dưỡ

m như hệ thống trong điều kviệc

dự án S3000 khách hà

dụng một CAD chương trìn

đó việc tính toán bán kí

sét của Dynasphere nha

ng, dễ dàng, chính xác

ch hàng không có CAD thCác bán kính thu sét hkô

c chứng minh bằng các số li

a học hoặc nghiên cứu

ch hàng không có CAD chươ

h để xác định sự bố trí c

n cực và các dây dẫn xuố

át kế bằng tay, mất thời gđắt tiền

Ι Ι

CHÖÔNG : HEÔ THOÂNG CHOÂNG SEÙT SYSTEM 3000 (GTL)

VAØ CAÙC PHAĂN MEĂM LIEĐN QUAN

A HEÔ THOÂNG CHOÂNG SEÙT SYSTEM 3000:

haøng ñaău cụa Uùc GLT thaønh laôp vaøo naím 1978 tieăn thađn laø vieôn choâng seùt (LPI) thaønh laôp naím

1 Nhöõng thaønh phaăn cô bạn cụa laĩp ñaịt choâng seùt:

• Ñaău thu seùt: Ñaău thu seùt tređn khođng coù khạ naíng thu huùt luoăng seùt veă noù hôn laø phaăn deê bò taân cođng khaùc cụa kieân truùc caăn bạo veô Vuøng bạo veô roông thì caăn ñeân nhieău ñaău thu hôn

• Dađy thu lođi: Dađy thu lođi daên doøng seùt xuoâng ñaât maø khođng coù nguy cô phoùng ñieôn bieđn hay ñieôn hoùa toøa nhaø Phoùng ñieôn bieđn laø töø duøng mođ tạ doøng seùt rôøi khoûi dađy thu lođi vaø phoùng vaøo moôt vaôt ôû cánh ñoù

• Tieâp ñaât: Heô thoâng tieâp ñaât phại coù trôû khaùng thaâp ñeớ phađn taùn doøng seùt ñöôïc an toaøn Máng löôùi tieâp ñaât thay ñoơi töø cođng trình naøy ñeân cođng trình khaùc tuøy theo ñòa hình cụa cođng trình.Trong nhieău vuøng coù theơ duøng coôt ñoùng sađu cho moôt tieâp ñaât hieôu quạ ÔÛ vuøng ñaât ñaù, öu tieđn duøng tieâp ñaât reõ quát

2 Heô thoâng choâng seùt 3000:

2.1 Giôùi thieôu heô thoâng choâng seùt 3000:

Heô thoâng choâng seùt S3000 laø moôt tieân boô trong vieôc phoøng choâng seùt Heô thoâng ñöôïc thieât keâ ñeơ thu seùt töø moôt theơ tích vuøng thu ñöôïc quyeât ñònh tröôùc vaø daên doøng seùt xuoâng ñaât moôt caùch an toaøn

Heô thoâng choâng seùt goăm caùc boô phaôn sau:

- Ñaău thu seùt Dynasphere: laø ñieơm ñaău tieđn ñeơ baĩt seùt ñaùnh vaøo caâu truùc maø noù bạo veô

Dynasphere hoàn toàn cách điện khỏi cấu trúc và được nối với dây thu lôi Ericore, để cung cấp một hệ thống cách điện toàn diện

- Thanh chống (kết cấu đỡ): dùng để gắn đầu Dynasphere và làm Dynasphere cách điện khỏi cấu trúc

- Dây dẫn xuống (ERICORE): tải điện xuống đất không làm điện hóa cấu trúc cần bảo vệ Việc này đảm bảo an toàn cho người và cho thiết bị Dây dẫn loại bỏ rủi ro phóng điện biên vì bộ phận truyền điện ở trung tâm được che chắn khỏi các vật khác

- Thiết bị đếm sét : theo dỏi số lần đầu Dynasphere đã thu sét

- Hệ thống nối đất : gồm các cọc đất, băng đồng và hóa chất làm giảm điện trở đất

Việc thiết kế các bộ phận đã được nghiên cứu theo dõi trong phòng thí nghiệm và thực tế ngoài tự nhiên

2.2 Đầu Dynasphere:

Từ lý thuyết và thực nghiệm cho biết khoảng thời gian mà điểm nhọn của cột thu lôi có thể sinh ra một khoảng điện tích ngay trên nó Sự hiện diện của khoảng điện tích sẽ bổ sung cho điện trường ở đỉnh và gây khó khăn cho điều kiện phóng điện tự duy trì hay nói cách khác làm giảm cơ hội sinh ra tia phóng lên

Mô hình của cơ chế này như sau:

- Mây dông tiến đến điện trường tăng

- Hiện tượng vầng quang (vầng corona) bắt đầu bao quanh đỉnh cột khi điện trường ở đỉnh cột vượt mức đánh thủng không khí

- Điện tích vầng quang xen vào giữa cột nhọn và điện tích trung tâm ở mây dông Vầng quang làm thay đổi điện trường ở đỉnh cột

- Tia tiên đạo phóng xuống, điện trường tăng, vầng quang tăng, điện trường đỉnh bị che kín Điện trường gần đỉnh không tăng tuyến tính với điện trường trung gian ở xa hơn

- Quá trình tiếp tục cho đến khi tia phóng xuống trở nên khá gần đến lúc nào đó cột phát ra một tia phóng lên dương tính (xuất phát từ cực thanh dương)

- Tia phóng lên vượt qua vầng điện quang tìm đến tia phóng xuống

Vì điện trường ở gần đỉnh cột bị hiệu chỉnh trong tình huống trên, một tia sét có thể tiến đến khoảng vài mươi mét trước khi có sự phát ra tia đi lên từ cột thu lôi

Tác dụng trên có thể giải thích cho hiện tượng , sét đi vòng qua cột thu lôi đánh vào cấu trúc bên dưới

Các thí nghiệm mô hình ( standler R “ Response of elevated conductors to lightning “ ms thesis New Mexico Institute of technology april 1975 ) đưa ra nhận xét khoảng điện tích trên cột nhọn làm cho sự phóng điện xuyên qua có thời gian trì hoãn lên đến 500µs Điều này đưa đến sự đề xuất dạng hình học của các đầu tiếp điện trên không có một hiệu quả quan trọng khi các điểm cạnh tranh trên cấu trúc cũng cố gắng cho ra đồng thời một tia phóng lên Các nghiên cứu từ phòng thí nghiệm và hiện trường cho thấy điện trường trung gian giữa tia phóng xuống và mặt đất khoảõng 500KV/m cần thiết cho tiến trình đi lên của tia phóng lên Dòng đi lên mà cuối cùng sẽ mở rộng đến tia tiên đạo hướng xuống đòi hỏi sự phát sinh điện trường gần bằng 3MV/m ở một điểm trên mặt đất

Thảo luận trên dẫn đến việc xem xét một đầu thu lý tưởng sẽ cực tiểu hóa corona ở chế độ tĩnh (khi chưa có sự xuất hiện của tia tiên đạo) nhưng làm tăng sự tập trung điện trường trong điều kiện động xảy ra trong khi có một tia phóng xuống làm cho nó có độ lợi thời gian tạo đường dẫn chủ động về phía trên của đầu thu so với các loại kim thu sét thông thường trong cùng điều kiện

Ba điều kiện cơ bản phải đạt được với một đầu thu là:

- Cường độ điện trường của đầu thu : 3MV/m để phóng lên một dòng

- Các điện tử tự do vượt mức 108electron / sec ở điểm nối đất để đảm bảo mở đầu “thác điện tử”

tự kích ( Self Propagation) điểm phóng lên sau mở đầu thác

2.2.2 Vật liệu và kích thước:

Hình 1.2 Vật liệu của đầu Dynasphere không bị ăn mòn trong không khí bình thường

- Đầu tiếp đất có tiết diện 300mm2 được làm bằng vật liệu không chứa sắt

- Quả cầu bọc bên ngoài đầu tiếp đất được làm bằng nhôm anod hóa có kích thước :

Dài (L) x Rộng(R) = 335mm x 280mm

- Trọng lượng toàn bộ của Dynasphere trên 4kg

2.2.3 Đặc điểm kỹ thuật:

- Điện cực sẽ phản ứng một cách động học với sự xuất hiện của luồng sét bằng cách tạo ra các điện tử tự do và hiện tượng quang ion hóa giữa bề mặt quả cầu và mũi nhọn của cọc tiếp đất

-Vầng quang chỉ xảy ra khi có sự đến gần của tia chớp.Vầng quang không xảy ra do trường tĩnh điện của cơn dông ở phía trên trừ khi có sự hoạt động của luồng điện phóng trong vùng

- Đầu thu không gây ra nhiễu sóng vô tuyến tần số cao, ngoại trừ khoảng miligiây sự tiến đến của tia tiên đạo

- Đầu thu không phóng xạ nên không cần xin giấy phép sử dụng

- Hìng dạng bên ngoài của đầu thu nhằm giảm nhỏ sự hình thành vầng quang dưới trường tĩnh điện của cơn dông

- Đầu thu không cần pin hay nguồn cấp năng lượng nào bên ngoài cho bất kỳ bộ phận nào của nó hoạt động Đầu thu không chứa phần động

- Đầu thu được làm bằng vật liệu không bị ăn mòn trong điều kiện khí quyển bình thường

- Đầu thu được cách điện khỏi cấu trúc bảo vệ Thể tích vùng thu và bán kính hấp dẫn của đầu thu, được đưa ra từ thống kê và những nghiên cứu về sét được chấp nhận và biết đến

- Đầu thu được đặt tối thiểu 10m từ mặt đất

- Đầu thu phải được lắp đặt nghiêm ngặt theo hướng dẫn của nhà sản xuất

- Vùng bảo vệ được qui định bởi điện cực phải thích hợp với điểm sét đánh cho tất cả các sét vượt quá biên độ của dòng điện sét xxKA theo mức bảo vệ yy Thiết kế phải tính toán đến sự phóng một tia đi lên của các điểm cạnh tranh (mũi nhọn, gỡ mái ) từ công trình cần bảo vệ

3KA 6KA 10KA 15KA 20KA

Rất cao Cao Trung bìng Chuẩn Thấp

2 2.4 Nguyên lý hoạt động:

Ở dạng đơn giản Dynasphere gồm một thanh kim loại nhọn đầu được nối đất và một quả cầu kim loại bọc lấy thanh Một trở kháng cao nối quả cầu và thanh nhọn

Trong điện trường tương đối ổn định xảy ra dưới một cơn dông Dynasphere là một thiết

bị thụ động Trong trường tĩnh điện này quả cầu được nối đất qua trở kháng và gây ra corona cực tiểu

do dạng hình học của nó

Trong trường điện động, khi có sự gia tăng nhanh chóng và đột ngột của điện trường khí quyển, qúa trình qúa độ xày ra,việc tiếp cận một tia phóng xuống tạo thành một điện dung ghép giữa tia phóng xuống và mặt cầu

Mặt cầu sẽ phản ứng lại sự tăng nhanh điện trường bằng cách tăng thế do hằng số thời gian dài tạo bởi kênh tĩnh trở kháng cao Một khe phóng điện được hình thành do sự chênh lệch thế giữa

quả cầu và thanh Tác động này làm thiết bị giải phóng năng lượng đã tích luỹ dưới dạng ion, tạo ra mộït đường dẫn tiên đạo về phía trên chủ động dẫn sét

Hình 2.2

Vùng bảo vệ được xây dựng từ một bán cầu phóng điện và một parabol giới hạn bán cầu đó Tùy theo mức độ bảo vệ công trình, tương ứng với điện lượng hay cường độ sét, mà ta xác định được vùng bảo vệ khác nhau

Kim thu sét Dynasphere được đặt trên công trình sao cho vùng bảo vệ của nó phủ khắp vùng thu sét của các điểm cạnh tranh của cấu trúc ( đỉnh nhọn nhô ra, góc nhọn, gờ mái, ) hay nói cách khác bán kính vùng bảo vệ Rbv của Dynasphere phải bao trùm bán kính vùng cạnh tranh Rct của các điểm cạnh tranh

Bán kính vùng bảo vệ tùy thuộc vào độ cao công trình, độ cao thanh đỡ và mức độ bảo vệ

2.2.6 Kiểm tra đánh giá đầu thu:

Mục đích của cuộc thử nghiệm này kiểm tra tính hiệu quả của Dynasphere tích cực với thiết bị thụ động, đánh giá khả năng của nó khi cạnh tranh với cột Franklin và so sánh thời gian tạo ra đường dẫn tiên đạo so với kim thu sét thông thường

Với mục đích đó cả hai loại dẫn sét (tạo tia tiên đạo và thông thường) được đánh giá và kiểm nghiệm trong cùng một điều kiện

a Thí nghiệm trong phò g: n

Mô phỏng quá trình phóng điện sét trong tự nhiên ở phòng thí nghiệm là rất khó Các vấn đề cụ thể được tóm tắt như sau:

- Điện trường có mặt khi có sét trong tự nhiên là 5÷20KV/m trong phòng thí nghiệm trường 500KV/m là cần thiết để mở đầu một sự phóng điện

- Các tia phóng lên dài 100 ÷ 500m trước khi chặn một tia phóng xuống Trong phòng thí nghiệm khoảng cách phóng chỉ có thể đạt được vài mét

- Trước khi có sự phóng điện tự nhiên xảy ra, tồn tại một điện trường gây ra corona trên tất cả các phần hình học và góc nhọn Mô phỏng phòng thí nghiệm của hiệu ứng này là khó vì thiết bị tạo

ra trường có thể bị máy phát xung phá hủy

So sánh chất lượng của một đầu thu thí nghiệm với cột Franklin đối chứng Mây nhân tạo là một lưới kim loại nằm ngang tiết diện 5 x 5m Nằm trên đầu thu thử nghiệm và cột Franklin đối chứng được nối đất và có cùng độ cao

Một máy phát phân cực DC được nối vào đám mây nhân tạo qua điện trở và mạng bảo vệ Một máy phát xung cũng được nối vào đám mây nhân tạo

Dạng sóng xung được chọn tương đối chậm, có thời gian tăng 200 microgiây Dạng này gần giống với độ tăng điện trường nhận được khi một điểm phóng tiếp cận đất Dạng sóng 1,2/50µs thường được dùng biểu diễn dạng sóng quá điện áp khí quyển

Do khoảng cách phóng điện rất ngắn trong phòng thí nghiệm cần tạo xung gần với ngưỡng chọc thủng để tìm sự khác biệt giữa các đầu thu thử nghiệm và đối chứng

Thí nghiệm 1: 2 Dynasphere được đặt ở các vị trí thử nghiệm Mục đích của thử nghiệm là xem xét một Dynasphere tích cực có ưu điểm gì hơn một thiết bị thụ động Đảo ngược các thiết bị tích cực và thụ động mà không phải thay đổi bất kỳ thông số vật lý nào Kết quả lấy trung bình theo cách loại bỏ các mâu thuẩn trong sơ đồ thử nghiệm vật lý

Trước khi thử nghiệm một chuỗi điện tích được tạo ra để đánh giá ngưỡng phóng điện Điện

Thí nghiệm 2:

Trong thí nghiệm này, Dynasphere được so sánh với chất lượng của một cột Franklin Các cột Franklin được dùng là các thanh nhọn đầu lõi của Dynasphere để không có sự thay đổi hình học cột Franklin khi quả cầu được gắn vào, chuổi phóng điện hướng vào 2 cột Franklin để xác định cái nào hiệu quả hơn Sau đó quả cầu được gắn vào cột Franklin kém hiệu quả hơn ,để đánh giá sự cải thiện chất lượng

Các điều kiện khí quyển: độ ẩm 67%, áp suất 1012mB, nhiệt độ 30oC

Kết quả:

Việc thêm quả cầu vào cột Franklin làm việc kém (B) cải thiện 40% hiệu quả của nó

b Thí nghiệm ngoài tự nhiên:

Hai dạng thử nghiệm được coi là phù hợp cho đánh giá chất lượng đầu thu:

- Dạng thứ nhất bao gồm thử nghiệm thống kê lâu dài, bằng cách xen kẽ các đầu thu thử nghiệm và các cột Franklin theo dạng 1 cánh đồng anten.Mỗi vật dẫn xuống có thiết bị ghi sự phóng điện và biên độ dòng đỉnh của chúng

- Dạng thứ 2: bao gồm thử nghiệm so sánh tốc độ cao Yếu tố quan trọng nhất trong đo lường hiệu quả của một đầu thu là khả năng bắt đầu và lan truyền các dòng phóng lên của nó Bằng chứng chất lượng tương đối chỉ có thể đạt được bằng việc đo thời gian phát triển và dòng phóng lên so với một tiêu chuẩn đối chứng

- Vì sét xuất hiện ngẫu nhiên và thời gian để phóng lên vào cỡ microgiây Nhiệm vụ đo lường thường là gặp khó khăn Hơn nữa nếu sự ngăn chặn (Tia phóng lên đón lấy tia phóng xuống) dòng sét trở về có thể có biên độ 100KA sẽ phá hủy thiết bị đo Tuy nhiên nhờ thiết bị chụp hình và quay video hiện đại mà không nhất thiết phải ghi nhận một cú sét đánh trực tiếp

- Vật đối chứng là cột Franklin được so sánh với một đầu thu thử nghiệm ở cùng chiều cao Dây thu lôi được tiếp đất qua một điện trở, một dòng điện ghi nhận được tại chân tiếp đất và được truyền tới máy biến đổi điện A/D (Analoque / Digital)

- Nguồn điện từ xa đến máy A/D được cung cấp bởi pin mặt trời Dây cáp bằng sợi quang học được dùng để truyền tải thông tin đến một bộ số hóa cao tốc lưu trữ thông tin trong bộ nhớ 256KB Sau đó thông tin biến đổi được truyền đến một máy tính IBM có đĩa cứng 30MB Chiều cao của các cột là 6m và đặt cách 20m để đảm bảo không có nhiễu điện trường do tác dụng tương hổ

Kết quả sơ bộ cho thấy thời gian bắt đầu tia phóng lên của một cột Franklin sau quả cầu thử nghiệm là 50microgiây và dòng phóng lên của quả cầu lớn hơn 2 - 3 lần tại mọi thời điểm kể từ lúc mở đầu

2 2.7 Ưu điểm của đầu thu:

- Tính chủ động tạo đường dẫn sét:

Tất cả các cấu trúc trên công trình đều có khả năng tạo ra kênh dẫn về phía trên Tuy nhiên, vấn đề thời giantạo ra chúng mới là quan trọng Một đầu thu sét tạo tia tiên đạo có thể tạo một đường dẫn sét về phía trên sớm hơn một khoảng thời gian ∆T so với loại kim thu sét thông thường Đại lượng này được xác định trong phòng thí nghiệm cao áp và ngoài hiện trường giữa một đầu thu sét tạo tia tiên đạo và một kim thu sét thông thường ở trong cùng một điều kiện

TSR : là thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của một kim thu sét thông thường

TD : là thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của đầu thu Dynasphere

- Độ dài của kênh dẫn về phía trên so với kim thu sét thông thường, đầu thu Dynasphere có thể tạo ra đường dẫn tiên đạo sớm hơn một khoảng thời gian ∆T và do đó tạo sớm một đường dẫn tiên đạo

D: Khoảng cách phóng điện phụ thuộc vào yêu cầu bảo vệ

2.2.8 Chọn cấp bảo vệ:

Các dữ liệu được thu thập từ các kết quả nghiên cứu trên toàn thế giới đưa ra các đặc tính chính giúp cho việc thiết kế chống sét đạt hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao Sự phân bố có tính thống kê các đặc tính chính của sét được trình bày trong bảng 3.2

Bảng 3.2: phân bố các đặc tính chính của sét đánh xuống đất:

Đặc tính Tỷ lệ % các khả năng trị số đặc tính có t

giữa các sét

Dòng sét đầu 5 12 20 30 5

tiên (dI /dt)max

Độ dốc sét tiếp 6 15 25 45 8

kéo dài của sét

5 5x105 A2.s

Mục 3 trong bảng được dùng để xác định các mức bảo vệ, các cấp bảo vệ liên hệ trực tiếp với dòng phóng I và điện tích tiên đạo Q tương ứng Một mối liên hệ thực nghiệm được cho:

I = 10,6.Q0,7

Với I đo bằng KA, Q đo bằng Coulombs

Một dòng sét có biên độ 6,5KA sẽ ứng với một điện tích tiên đạo xấp xỉ 0,5C

Tính toán và ngoại suy khác từ bảng 1, được mối quan hệ mức bảo vệ với biên độ dòng sét điện tích tiên đạo như trình bày trong bảng 4.2

Bảng 4.2: Quan hệ mức bảo vệ với biên độ dòng sét và điện tích tiên đạo sét

Điện tích tiên đạo(Q) Dòng tiên đạo(I) Khả năng xuất hiện Cấp bảo vệ

0,5C

0,9C

1,5C

6,5KA 10KA 16KA

98%

93%

85%

Cao Trung bình Chuẩn Như vậy từ bảng 4.2 có thể xác định mức bảo vệ theo các đặc tính thống kê về sét

Tùy thuộc vào tầm quan trọng của công trình xây dựng quyết định chọn mức bảo vệ thích hợp trong thiết kế chống sét

2.2.9 Bán kính bảo vệ: (Bán kính vùng thu):

Vùng thu sét là vùng không gian trên đầu thu mà khi có một tia sét đi vào vùng đó, sẽ được một tia phóng lên đón lấy(Phương pháp tính thể hấp thu)

khoảng cách phóng lên một tia tiên đạo của đầu thu) và một parabol giới hạn bán cầu đó

bề mặt qủa cầu

Hình 7.2 cho thấy cách xác bán kính bảo vệ Ra của đầu thu từ thể tích vùng thu

Bán kính bảo vệ của Dynasphere theo các tham số thống kê thay đổi theo từng dự án chống sét, cụ thể thay đổi theo cấp bảo vệ, chiều cao của công trình , (trình bày trong bảng 5.2)

vùng thu đường

đồng khả năng

h

R a Ra

Hình 4.2

Bảng5.2: Bán kính thu hút sét của điện cực phát xạ sớm Dynasphere

Đầu thu sét Dynasphere được lắp đặt ở độ cao 5m trên điểm cao nhất của công trình cần

được bảo vệ.và có độ cao cách mặt đất tối thiểu là 10m

Một hay nhiều đầu thu Dynasphere được đặt trên công trình sao cho vùng thu của nó phủ

lắp các vùng thu của các điểm cạnh tranh của cấu trúc (đỉnh nhô ra, góc nhọn, gờ mái ) hay nói cách

khác bán kính vùng thu của Dynasphere phải bao trùm các bán kính vùng thu của các điểm cạnh tranh

Hình 5.2

2.3 Giá đỡ đầu dynasphere:

- Giá đỡ có một ống hình trụ sợi thủy tinh cách điện cao tối thiểu 1,15m

- Ống phải có bề dày thành tối thiểu 4mm và đường kính cho phép lắp vừa đầuthu và dây thu lôi

sẽ đi bên trong ống

- Giá đỡ phải siết chặt vào cấu trúc khác có dây buộc nơi cần thiết để giữ cho đầu tiếp điện trên

không và hệ thống cột đứng vững với vận tốc gió tối đa trong vùng Sự lắp đặt giá đỡ đủ cứng để đảm

bảo độ lệch tối đa của đầu thu dưới điều kiện vận tốc gió cực mạnh sẽ không quá 100mm Sự lắp đặt

giá đỡ phải có tần số rung tự nhiên ban đầu với vận tốc gió ít nhất 2 lần vận tóc gió thiết kế tối đa

cho vùng

2.4 Dây Ericore:

Kỹ thuật gần đây nhất trong việc dẫn năng lượng sét xuống đất là dùng một dây dẫn xuống

bọc cách điện Dây Ericore được thiết kế với 2 màng chắn và một màng bọc dẫn điện bên ngoài ,vật

liệu không dẫn điện được chọn lọc kỹ đảm bảo sự cách điện dưới điều kiện xung điện cao

2.4.1 Cấu tạo dây Ericore:

Gồm một dây dẫn căng ở giữa bao bọc bằng lõi nhựa Lớp thứ 2 là một dây đồng xoắn

ốc, tiết diện hiệu dụng 50mm2 là lớp dẫn dòng chính, được cách điện sơ cấp bao bọc Băng bọc bằng

băng đồng bọc bên ngoài cách điện sơ cấp và nó được cách điện thứ cấp bao bọc Cách điện thứ cấp

được một lá kim loại bao bọc mà bên ngoài có vỏ bọc dẫn điện Nếu bỏ phần ở giữa là lõi nhựa Kết cấu

giống như một vật dẫn trung thế

Đường kính ngoài của dây Ericore nhỏ hơn 40mm Điện áp xung dạng sóng 1,2/50µs

giữa các lớp dẫn điện không nhỏ hơn 250KV

Lớp dẫn điện chính được nối trực tiếp với đầu của một đầu tiếp điện trên không Trong

3m cuối tiếp đất dây thu lôi được đặt trong ống bảo vệ PVC dày tối thiểu 3mm để tránh hư hại cơ và làm tăng độ an toàn cho con người Dây thu lôi được lắp đặt theo sự chỉ dẫn của nhà chế tạo, có bán kính uốn cong cho phép không được nhỏ hơn 0,5m Dây dẫn xuống được gắn chặt vào công trình xây dựng bằng các kẹp kim loại, khoảng cách giữa các kẹp ít nhất là 2m

Hình 6.2

2.4.2 Đặc tính kỹ thuật:

Dây Ericore là một tiến bộ quan trọng trong kỹ thuật chống sét Có ý kiến cho rằng vật liệu cách điện có thể không chịu được điện áp do phóng điện sét áp đặt Tuy nhiên các thử nghiệm tương đối đơn giản cho thấy điện dung ghép giữa vật dẫn và kiến trúc làm cho vật dẫn bám theo điện áp trên kiến trúc Điều này làm giảm hiệu điện thế và đặt áp nhỏ hơn vào vật cách điện Để hiểu hơn giá trị kỹ thuật của dây này cần ôn lại những vấn đề liên quan với dây dẫn sét thường, hình 6.2 cho thấy sự tự cảm của một dây dẫn sét thường gây ra điện thế rất cao

Vì lý do thẩm mỹ, điều này dẫn đến việc dây dẫn sét có những góc bẽ cong Sự tự cảm gia tăng do những góc bẻ cong làm tăng điện thế dẫn đến cắt điện hay sự phóng điện biên như được chỉ trong hình 8.2 Tòa nhà luôn bị điện hóa và ở đó tồn tại nguy cơ phóng điện biên

Hình 8.2: Những nguy hiểm đối với dây thu lôi thông thường Một dây Ericore khắc phục được các hiểm họa trên và hơn nữa còn cho phép đi dây bên trong tòa nhà Để hiểu được điều này xảy ra như thế nào cần so sánh hiệu ứng điện tạm thời của dây thu lôi thường và dây Ericore lúc phóng sét

Hình 9.2 :Cơ chế phóng điện biên của dây dẫn thường

Hình 9.2 cho thấy điều kiện về điện trước khi sét đánh và trong khi truyền điện xuống đất Khi dẫn dòng sét dây thu lôi đột nhiên bị kích thích với một điện cực trái dấu với mặt đất Điều này gây nên điện trường mạnh giữa dây dẫn, hệ thống điện và tòa nhà, những cái này gây nên sự nẹt điện biên bên hông

Trường hợp dây dẫn Ericore được biểu thị trong hình 10.2 có thể thấy lớp vỏ ngoài hoạt động như một lá chắn cho những vật khác và sự nguy hiểm về nẹt điện hoàn toàn có thể bị loại bỏ Nhờ lớp vỏ ngoài Ericore ta có thể đi dây bên trong công trình mà vẫn an toàn