Chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS LÊ KIM HÙNG NGUYỄN TRẦN HUỲNH Phản biện 1: PGS.TS NGÔ VĂN DƯỠNG CHỐNG SÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH Phản biện 2: TS NGUYỄN BÊ Chuyên ngành: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN Mã số: 60.52.50 Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT tháng 10 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Đà Nẵng - Năm 2012 - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Phương pháp chống sét truyền thống nhiều năm qua ñã Dông sét tượng thời tiết kèm theo sấm, chớp xảy chứng tỏ khả bảo vệ nó, nhiên ñối với yêu cầu cao Cơn dông ñược hình thành có khối không khí nóng ẩm chuyển (các thiết bị ñiện tử, nhà máy hạt nhân, kho ñạn dược…) ñộng thăng Cơn dông kéo dài từ 30 phút ñến 12 nhược ñiểm nêu gây thiệt hại khôn lường trải rộng từ vài chục ñến vài trăm km LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong thập niên gần ñây, bùng nổ công nghệ vi mạch ñiện tử máy tính, sét cảm ứng (thường ñược gọi ảnh hưởng Sét ñã gây thiệt hại lớn cho nhiều ngành, lớn vật thứ hai sét) trở thành vấn ñề ñược quan tâm hàng ñầu chất người Do ñó việc phòng chống sét trở thành vấn ñề công trình ñại Dòng ñiện sét tạo từ trường mạnh xung bách cho nhiều ngành ñược nhiều người quan tâm Đề tài quanh hệ thống dây dẫn thoát sét từ cọc tiếp sét ñến cọc tiếp ñất, hình nghiên cứu nhằm tìm giải pháp tối ưu ñể bảo vệ công trình thành nên ñiện áp có biên ñộ lớn khoảng thời gian bé, trước tác hại dông sét gây ñã phá hủy hay làm hỏng hóc nhiều thiết bị ñiện tử nhạy cảm ñược Bảo vệ công trình cách ngăn không cho tia sét lắp ñặt lân cận ñó Việc ngăn cản tia sét ñánh vào công trình ñánh trực tiếp xảy ra, ý tưởng hoàn toàn Nó số biện pháp loại bỏ ñược hư hỏng cho ý tưởng nguyên thủy Franklin: phân tán ñiện tích ñám thiết bị ñiện tử ảnh hưởng thứ hai sét mây bão cách lắp ñặt cọc nhọn sắt, cọc sắt dẫn ñược hoàn toàn dòng ñiện tích ñi khỏi khu vực gây tia sét Trong suốt 250 năm qua cọc dẫn sét Franklin ñã thành công việc bảo vệ công trình khỏi hư hỏng sét gây Hiện nay, nước tiên tiến giới người ta ñang ứng dụng thiết bị chống sét sử dụng phương pháp chuyển dịch ñiện tích ñã thu ñược thành công to lớn việc ngăn ngừa sét ñánh trực tiếp vào công trình quan trọng Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy hệ Franklin không cho hiệu Ở Việt Nam thiết bị ñã có mặt thị trường chống sét 100%, sét ñánh vào kim thu sét nhiều hiệu Tuy nhiên chưa có hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh phương pháp chống sét tốt, song nhiều kết thực công nghệ phương pháp, công thức ñể tính toán, nghiệm cho thấy sét bỏ qua kim thu sét mà ñánh trực tiếp vào thiết kế hệ thống chống sét Đây công nghệ mới, công trình kim thu sét ñược thiết kế cao Ngay sét nghiên cứu thành công khả ứng dụng cao ñánh vào kim thu sét dây nối ñất không hiệu cho việc dẫn thay công nhệ chống sét cũ ñể bảo vệ cho công trình quan thành phần tần số cao tia sét có vật kim loại gần trọng Việt Nam Các công trình có chứa thiết bị nhạy cảm với sét thiết bị ñiện tử bị hỏng hóc Đối với thiết bị nhạy cảm cần phải có thiết bị chống sét chuyên dụng Footer Page of 126 Trên ñây lý ñể ñịnh chọn ñề tài nghiên cứu Header Page of 126 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU BỐ CỤC LUẬN VĂN 2.1 Đối tượng nghiên cứu Hệ thống chống sét sử dụng phương pháp chuyển dịch ñiện Ngoài phần mở ñầu kết luận chung, nội dung ñề tài ñược biên chế thành chương: Chương 1: Tình hình dông sét Việt Nam phương tích 2.2 Phạm vi nghiên cứu pháp phòng chống sét Nghiên cứu thiết hệ thống chống sét chuyển dịch ñiện tích CTS (Charge Transfer System), cụ thể tính toán thiết kế hệ thống Chương 2: Chống sét phương pháp chuyển dịch ñiện tích tiếp ñịa, dây dẫn tạo ion Tính toán số ñỉnh nhọn cần thiết Chương 3: Phân tích hiệu chống sét CTS tạo ion ñể trung hòa ñiện tích cảm ứng mặt ñất Tạo lớp ñiện Chương 4: Tính toán thiết kế hệ thống chống sét sử dụng tích không gian ñám mây công trình cần bảo vệ ñể làm giảm phương pháp chuyển dịch ñiện tích cường ñộ ñiện trường ñến trị số tối thiểu ñể không khả CHƯƠNG TÌNH HÌNH DÔNG SÉT Ở VIỆT NAM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT phóng ñiện sét xuống công trình cần bảo vệ Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3.1 Ý nghĩa khoa học 1.1 TÌNH HÌNH DÔNG SÉT Ở VIỆT NAM Việt Nam nước nằm tâm dông Châu Á, ba tâm - Tổng hợp cách hoàn chỉnh lý thuyết dông sét - Ứng dụng phương pháp tính toán ñể bảo vệ chống sét cho công trình - Ứng dụng lý thuyết lĩnh vực công nghiệp ñiện tử dông giới có hoạt ñộng dông sét mạnh Mùa dông Việt Nam tương ñối dài bắt ñầu từ tháng kết thúc vào thánh 10 hàng năm Số ngày dông trung bình khoảng 100 ngày/năm số dông chế tạo áp dụng ñể chống sét cho công trình xây dựng trung bình khoảng 250 giờ/năm Ở Việt Nam có khoảng triệu cú sét 3.2 Ý nghĩa thực tiễn ñánh xuống ñất năm Theo số liệu thống kê chưa ñầy ñủ - Mục tiêu nghiên cứu ñề tài xuất phát từ thực tế, tình Viện Vất lý Địa cầu thực năm 2004 Cả nước có 820 vụ sét ñánh hình phức tạp dông sét Việt Nam Ảnh hưởng sét cảm ứng gây thiệt hại nhiều tỉ ñồng, làm gián ñoạn dịch vụ viễn thông, ñiện ñối với công trình có thiết bị ñiện tử nhạy cảm Do ñó kết lực… có ý nghĩa thực tiễn áp dụng vào thực tế 1.2 SỰ HÌNH THÀNH DÔNG SÉT - Có khả ứng dụng cao, ứng dụng ñể thay hệ thống chống sét cổ ñiển ñể bảo vệ cho công trình quan trọng - Nâng cao khả bảo vệ công trình trước tác hại sét Footer Page of 126 Sự hình thành dông : ñiểm ñánh thủng ñám mây bắt ñầu gởi ñiện tích ñi xuống thông qua ñường ion hóa khí gọi tiên ñạo vạch Nhiều tiên ñạo vạch bắt ñầu truyền xuống ñất theo nhiều hướng, tìm kiếm chỗ ñiện tích ñất tích tụ lớn Header Page of 126 khu vực Các ñiện tích dịch chuyển bước khoảng 1.3.3 Giai ñoạn 3: Giai ñoạn kết thúc 50m, dừng lại, tìm kiếm ñiện tốt nhất, sau ñó lại dịch chuyển tiếp Khi kênh phóng ñiện lên ñến ñám mây dông, ñiện Các bước hướng dịch chuyển làm cho sét có dạng hình tích cảm ứng từ mặt ñất lên theo, tràn vào trung hòa ñiện tích cưa trái dấu ñám mây, ñiện tích âm thừa ñám mây 1.3 CÁC GIAI ĐOẠN PHÓNG ĐIỆN SÉT theo kênh phóng ñiện chạy xuống mặt ñất, dòng sét có giá trị giảm 1.3.1 Giai ñoạn 1: Giai ñoạn phóng ñiện tiên ñạo dần.[1] Dưới tác dụng ñiện trường ñiện tích âm ñám mây kênh tiên ñạo vùng ñất bên có tập trung 1.4 CÁC DẠNG PHÓNG ĐIỆN SÉT Dựa thực tế, phóng ñiện sét ñược phân thành dạng ñiện tích cảm ứng trái dấu Vị trí tập trung ñiện tích cảm ứng sau ñây: bên ñám mây hay nơi có ñiện dẫn cao Trong giai - Phóng ñiện bên ñám mây ñoạn ñầu hướng phát triển tia tiên ñạo ngẫu nhiên tuân thủ - Phóng ñiện sét mây – ñất theo nguyên tắc phát triển theo hướng có cường ñộ ñiện trường cao - Phóng ñiện mây - mây 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT Khi kênh tiên ñạo ñạt ñến ñộ cao ñịnh, gọi ñộ cao 1.5.1 Phương pháp dùng lồng Faraday ñịnh hướng, hướng phát triển tia tiên ñạo chịu ảnh hưỡng Là lồng kim loại bao kín khu vực bảo vệ Theo lý thuyết vật bên mặt ñất nơi có tập trung ñiện tích cảm ứng sóng ñiện từ ñây phương pháp lý tưởng ñể phòng chống sét cao Do ñó vị trí ñổ dòng sét có tính chọn lọc 1.5.2 Chống sét theo phương pháp cổ ñiển 1.3.2 Giai ñoạn 2: Giai ñoạn phóng ñiện hay phóng ñiện 1.5.2.1 Kim thu sét Franklin Vào năm 1752 nhà khoa học người Mỹ Benjamin Franklin ñã ngược Khi kênh tiên ñạo xuất phát từ ñám mây dông tiếp cận mặt ñất hay kênh tiên ñạo ngược Cường ñộ ñiện trường khoảng phát nguyên tắc chống sét Về cấu tạo bao gồm phận sau: cách khí tăng cao gây ion hóa mãnh liệt không khí dẫn ñến hình + Kim thu sét thành dông plasma Các ñiện tích cảm ứng mặt ñất tràn lên + Cột gắn kim thu sét trung hòa ñiện tích kênh tiên ñạo từ ñám mây Các ñiện tích + Dây dẫn truyền lượng sét xuống ñất cảm ứng tiếp tục ñi theo ñường phóng ñiện tiên ñạo ban ñầu, + Bộ phận nối ñất tiếp tục hướng lên ñám mây, hình thành nên kênh phóng ñiện 1.5.2.2 Đai lưới thu sét Đai lưới thu sét dùng ñể chống sét ñánh thẳng làm thép dẹt hay tròn tiết diện không ñược nhỏ 35 mm Đai Footer Page of 126 Header Page of 126 10 lưới cho phép ñặt bên lớp chống thấm hay lớp cách nhiệt phần dòng ñiện sét chảy vào thiết bị nhạy cảm Đồng thời dòng sét chảy cáp thoát sét gây ảnh hưởng thứ cấp (cảm 1.5.2.3 Dây thu sét ứng) Xung quanh dây dẫn thoát sét hình thành ñiện áp biên Dây thu sét ñược dùng ñể bảo vệ công trình có dạng hẹp kéo dài, cụ thể ñường dây dẫn ñiện không, có chiều dài ñáng kể 1.5.3 Chống sét theo phương pháp phi cổ ñiển 1.5.3.1 Hệ thống phát xạ sớm Đó loại kim thu sét có ñặc tính phát dòng mồi sớm ñiện trường khí chưa ñạt ñến trị số tới hạn nghĩa chủ ñộng ñón bắt dòng phóng ñiện sét ñiểm ñó ñộ lớn thời gian bé làm hỏng thiết bị ñiện tử nhạy cảm CHƯƠNG CHỐNG SÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH 2.1.1 Lý thuyết phóng ñiện ñiểm Phương pháp phân tán ñiện tích sử dụng nguyên lý lý không gian cách xa công trình mà bảo vệ thuyết phóng ñiện ñiểm, gọi phân tán giảm nhỏ tích 1.5.3.2 Hệ thống chống sét phương pháp chuyển dịch ñiện lũy ñiện tích tĩnh Phương pháp chủ yếu sử dụng tích (CTS) ngành công nghiệp ñiện tử chế tạo ñể kiểm tra tích lũy ñiện Hệ thống chuyển dịch ñiện tích nhằm ngăn ngừa hình tích tĩnh gây nhiễu gây nguy hiểm ñối với tổ hợp ñiện thành tia sét Khác với hệ thống chống sét trực tiếp dùng ñiện cực tử nhạy cảm, ñã ñược công nhận sử dụng rộng rãi với thành Franklin hay ñiện cực phát xạ sớm, hệ thống chống sét cách công to lớn Mục ñích sản phẩm phân tán tĩnh ñiện liên tục giảm cường ñộ ñiện trường mặt ñất ñám mây dông giảm nhỏ tích lũy ñiện tích, ñó ngăn ngừa hồ quang ñiện xuống khả xuất tia tiên ñạo ñó không xảy sét dòng ñiện gây nguy hiểm Hệ thống chuyển dịch ñiện tích hoạt ñộng theo nguyên lý Phương pháp ñược áp dụng ñể chống sét cho công phóng ñiện ñiểm dựa tượng corona, với hàng nghìn ñiểm trình cách chế tạo sản phẩm lắp ñặt công trình nhọn kim loại tạo ion bên hệ thống ngăn ngừa hình xây dựng ñể giảm nhỏ tích lũy ñiện tích ñất thành tiên ñạo sét 1.6 KẾT LUẬN Qua chương thấy ñối với thiết bị ñiện tử nhạy cảm ảnh hưởng dòng ñiện sét ñiện áp gây lớn Đối với hai hệ thống chống sét dùng hệ Franklin hệ thống phát xạ sớm có dòng sét chảy hệ thống thoát sét có Footer Page of 126 Hình 2.1: Phóng ñiện ñiểm Hình 2.2: Điện cực phân tán Header Page of 126 11 2.1.2 Sự phân phối ñiện tích Một ñiểm riêng lẻ ñơn ñộc, ví dụ kim thu sét ñạt ñược ñiểm bảo hòa phân tán ñiện tích với 12 dịch chuyển ñiện tích bị cảm ứng ñất lên tạo ion ñường ngắn 2.3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN tốc ñộ ñủ nhanh không giảm ñược tích tụ ñiện tích Các vùng Điện tích dương chủ yếu tập trung ñỉnh ñám mây, ñiện ñó trở thành ñiểm tạo tia ngược, ñó thu hút tích âm tập trung ñiểm ñáy ñám mây Và lượng ñiện tích sét ñánh vào chúng dương cục nằm vị trí thấp vị trí ñiện tích âm chút Khi quy trình ñược mở rộng với hàng ngàn ñiểm ñiện cực phân tán (hình 2.2) tiêu tán ion ñược mở rộng nhiều lần so với ñiểm ñơn lẻ Kết ñiện tích mặt ñất bị trung hòa không ñủ lượng ñiện có khả thu hút sét Trường ñiện tích mặt ñất ñược tính theo công thức:[4] 2Qpos H pos 2Qneg Hneg 2qposhpos (2.3) E0 = − + − 3 2 2 2 2 4πε0 (H pos + D ) 4πε0 (H neg + D ) 4πε0 (h pos + D ) Không hình thành tia ngược, tiên ñạo phân cấp tìm mục Ở ñây: ε ñộ ñiện thẩm chân không tiêu khác trội hơn.[11] Qpos Qneg ñiện tích dương âm ñám mây bão 2.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHỐNG SÉT CHUYỂN DỊCH qpos ñiện tích dương nằm ñám mây bão ĐIỆN TÍCH Hpos, Hneg, hpos chiều cao loại ñiện tích tương ứng Hệ thống chống sét chuyển dịch ñiện tích bao gồm phận so với mặt ñất D khoảng cách theo chiều ngang tính từ ñiểm mặt ñất ñến ñiểm gần ñám mây bão mang ñiện tích, sau: - Bộ tạo ion: Dựa nguyên lý phóng ñiện ñiểm, ñược chế tạo vật liệu thép không rỉ có hàng nghìn ñiểm nhọn Dưới ảnh hưởng trường ñiện từ tăng lên cách ñột biến, việc ion hoá vùng không khí xung quanh ñiểm nhọn tăng lên - Bộ tập trung ñiện tích ñất: Được làm dây ñồng cách nhanh chóng, dẫn ñến việc hình thành vùng không gian ñiện tích cọc sắt tiếp ñất phải ñảm bảo thu hút hết ñiện tích xuất dương xung quanh ñiểm nhọn Sự xuất lượng ñiện tích mặt ñất bị nhiễu ñiện ñám mây dông tích ñiện tạo phụ gần với mặt ñất làm thay ñổi ñiện trường tổng E0 Một lượng ñiện tích Khi ñiện tích dịch chuyển vào vùng bảo vệ, ñược tập trung ñược chèn vào ñiện trường tổng, mà nguyên nhân ñiện tích dẫn lên tạo ion diện ñiện tích không gian qsc, phương trình (2.3) ñược viết lại thành - Dây dẫn ñiện tích: Phải ñảm bảo có ñiện trở thấp ñể dẫn phương trình (2.4) Phương trình ñược sử dụng ñể tính toán giá ñiện tích từ tập trung ñiện tích ñất ñến tạo ion Dây dẫn trị trường ñiện tĩnh với diện ñiện tích dương thêm vào ñiện tích hệ thống phân tán ñiện tích khác với dây thoát sét qsc ñộ cao hsc so với mặt ñất 2QposHpos 2QnegHneg 2qposhpos 2qschsc E0 =− + − − 3 3 4πε0(H2pos +D2)2 4πε0(H2neg +D2)2 4πε0(h2pos +D2)2 4πε0(h2sc +D2)2 hệ thống thu lôi Franklin ñể dẫn dòng ñiện có cường ñộ thấp Footer Page of 126 (2.4) Header Page of 126 13 14 Việc tính toán trường ñiện từ mặt ñất theo phương trình (2.4) ñược xem chưa hợp lý số trường hợp khởi ñầu cho CHƯƠNG PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CHỐNG SÉT CỦA CTS bước phóng ñiện sét Vì vậy, phương trình (2.4) phải ñược thay ñổi, cách phải tính ñến thành phần ñiện tích âm Qneg, ñang di chuyển xuống 3.1 SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KÊNH SÉT VÀ CTS Qneg ñược xác ñịnh thời ñiểm trình khởi ñộng phóng ñiện sét ñược tính theo phương trình (2.4): ∆Qneg = ρ s1 ( H neg + H T ) ∆Qneg = ρ s1 ( H neg + v * t ) (2.5) Ở ñây ρ sl mật ñộ ñiện tích phóng ñiện sét (giả thiết số), HT ñộ cao ñiểm bắt ñầu phóng ñiện sét thời ñiểm t, v tốc ñộ trung bình tia phóng ñiện sét   2qschsc 2ρ1s  1  − + − 1  4πε0  (D2 + HT )2 (H 2neg + D2 )2  4πε0 (h2sc + D2 )2 kết tương tác tiên ñạo bậc di chuyển theo chiều dọc xuống không gian ñiện tích ñược tạo CTS 3.1.1 Mô tả kênh sét giả ñịnh Để ñơn giản cho việc tính toán lượng ñiện tích ñược bỏ qua Các liệu trung bình ñiển hình cho ñộ lớn ñiện tích chiều cao khối ñiện tích ñược thể bảng sau : Thay vào phương trình (2.4), ta có phương trình (2.6) ñể tính E0 Ep: 2Qpos H pos 2(Qneg −∆Qnes )Hneg 2qposhpos E0 = − + − 3 4πε0 (H pos + D2 )2 4πε0 (H 2neg + D2 )2 4πε0 (h2 pos + D2 )2 Phần trình bày tính toán ñiện trường tổng mặt ñất Bảng 3.1 : Dữ liệu trung bình ñám mây dông số quốc gia giới (2.6) Country Qpos, C Hpos, m Qneg, C Hneg, m S.Africa +40 10000 -40 5000 England +24 6000 -20 3000 Japan +120 8500 -120 6000 Việc phân phối ñiện tích dọc theo chiều dài tia tiên ñạo ñược giả ñịnh Với mật ñộ ñiện tích cụ thể 1mC/m, 1.5mC/m, 2mC/m 2.4 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu chống sét phương pháp chuyển dịch tiên ñạo bậc ñiện tích âm ñám mây dông giảm xuống 5C, 7.5C, 10C tương ứng (giả sử phân nhánh) ñiện tích nhận thấy rằng: ñiểm kỹ thuật yếu ñể thiết kế Chiều cao CTS ñược giả ñịnh 20m Trong tính toán hệ thống ngăn cản tia sét ñánh trực tiếp vào vùng cần này, ñộ lớn cường ñộ ñiện trường ñủ ñể ñánh thủng khoảng cách ñược bảo vệ việc tính toán số ñỉnh nhọn dạng hình học không khí liên tục ñược giả ñịnh 500kV/m chúng ñể tạo ñiện tích không gian che chắn cho kiến trúc cần ñược 3.1.2 Sự tương tác kênh sét CTS bảo vệ Cường ñộ ñiện trường tổng mặt ñất ñược tính theo biểu thức sau ñây: Etotal = − E+ Q + E− Q + Eleader − ∆E− Q − ECTS Footer Page of 126 (3.1) Header Page of 126 15 16 Trong ñó: Điện tích âm suy giảm ∆Q− chảy vào tia tiên ñạo ñược E+ Q : cường ñộ ñiện trường tạo ñiện tích dương E− Q : cường ñộ diện trường tạo ñiện tích âm Eleader : cường ñộ ñiện trường tạo tia tiên ñạo bậc, ∆E− Q : cường ñộ ñiện trường suy giảm ñiện tích âm tính sau: ∆Q− = ρ vt , [C] 3.1.3 Tính toán minh họa Nhằm minh họa cho hiệu chống sét phương pháp chuyển dịch ñiện tích Chúng ta giả ñịnh thông số kênh sét chảy vào tia tiên ñạo ECTS : cường ñộ ñiện trường tạo ñiện tích không gian sau: CTS, [kV/m] Công thức tổng quát ñể tính cường ñộ ñiện trường thành phần E+ Q , E− Q , ∆E− Q , ECTS sau : E= 2Q , [kV/m] 4πε H - Tốc ñộ di chuyển tia tiên ñạo 1m/ µ s - Mật ñộ ñiện tích tia tiên ñạo cho trường hợp 1mC/m, 1.5mC/m, 2mC/m (3.2) Dựa theo thông số giả ñịnh trên, tiến hành tính toán tương tác kênh sét ñối với kim thu sét CTS ñể thấy ñược hiệu CTS so với kim thu sét vấn ñề ngăn chặn Trong ñó : phát sinh tia sét Có hai thiết bị chống sét ñược dùng ñể tính toán Q : ñiện tích, [C] kim thu sét (một ñiểm nhọn) hệ thống CTS có 10000 ñiểm H : chiều cao ñiện tích Q, [m] 4πε = 9.10 nhọn Các kết tính toán ñược hiển thị cho tia tiên ñạo giảm dần ñộ cao từ 50m ñến 30m so với mặt ñất Các liệu dùng ñể tính Thành phần cường ñộ ñiện trường Eleader tạo tia tiên toán liệu ñược ño Nam phi theo bảng 3.1, Qua kết bảng ta nhận thấy rằng: Đối với ñạo ñược tính theo công thức: Eleader (3.4) ρ 1 = [ − ] , [kV/m] 4πε ( H − Q − vt ) H −Q Trong ñó: ρ : mật ñộ ñiện tích tia tiên ñạo, [C/m] H − Q : chiều cao ñiện tích âm, [m] kim thu sét, tia tiên ñạo di chuyển ñến gần mặt ñất cường (3.3) ñộ ñiện trường tổng khu vực ñó tăng lên lớn tia tiên ñạo cách mặt ñất 30m cường ñộ ñiện trường tổng khu vực ñó ñã vượt 500kV/m tia sét ñánh trực tiếp vào kim thu sét xảy Ngược lại, thay kim thu sét hệ thống chuyển v: tốc ñộ di chuyển tia tiên ñạo, [m/s] dịch ñiện tích (CTS) với 10000 ñiểm nhọn tia tiên ñạo t: thời gian di chuyển tia tiên ñạo, [s] xuống gần mặt ñất dẫn ñến cường ñộ ñiện trường ñám mây gây Footer Page of 126 Header Page of 126 17 18 tăng lên Lúc CTS phát xạ ñiện tích dương mạnh CHƯƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT SỬ DỤNGPHƯƠNG PHÁP CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH làm giảm cường ñộ ñiện trường tổng khu vực ñó Theo kết bảng 3.5, bảng 3.6, bảng 3.7 cường ñộ ñiện trường tổng giảm xuống thấp ngưỡng 500kV/m nhiều nên việc sét ñánh trực tiếp vào khu vực ñược bảo vệ xảy Hệ thống chống sét chuyển dịch ñiện tích bao gồm 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LƯỢNG ĐIỂM NHỌN ĐẾN ĐIỆN phận: Bộ tập trung ñiện tích ñất (Hệ thống nối ñất), tạo ion ÁP PHÓNG ĐIỆN dây dẫn ñiện tích Bảng 3.8: Quan hệ số ñiểm nhọn ñiện áp phóng ñiện 4.1 CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CTS Để tính toán thiết kế hệ thống chống sét theo phương pháp Số lượng ñiểm nhọn N Điện áp phóng ñiện (kV) 148.5 chuyển dịch ñiện tích ta tiến hành bước sau: 250 157.5 4.1.1 Tính toán thiết kế tập trung ñiện tích ñất: 500 166.5 750 174 1000 184 3.3 KẾT LUẬN Trong chương ta ñã tìm hiểu tính toán minh họa ñể chứng minh hiệu phương pháp chống sét chuyển dịch ñiện tích Qua kết tính toán ta nhận thấy rằng: Hệ thống chuyển dịch ñiện tích (CTS) có khả ngăn cản cú sét ñánh vào vị trí cần bảo vệ Hệ thống tạo vùng ñiện tích ñối tượng ñược bảo vệ cách chuyển ñiện tích dương vào vùng không khí xung quanh thông qua Điện trở ñiện cực R1 ñược ước tính theo công thức:[6] R1 = 0.583692 L ln 29.2608 L −1 d ρ ñiện trở suất ñất [ Ωm ] L chiều dài ñiện cực , [m] d ñường kính ñiện cực, [m] Tính toán số lượng tiếp ñịa yêu cầu : N= R1 K RN Trong ñó : không khí tích ñiện khoảng không tích ñiện, gọi vùng tích ñiện, R1 ñiện trở ñiện cực tiếp ñất hình thành nên trường ñám mây bão vị trí ñược bảo vệ K hệ số Vì ñiện ñiểm cần bảo vệ ñám mây bão giảm RN ñiện trở ñất mong muốn xuống nhiều Do ñó ñã ngăn cản ñược tia sét ñánh thẳng N số tiếp ñịa yêu cầu Footer Page of 126 (4.2) Trong ñó: trình xử lý gọi phóng ñiện ñiểm (Point Discharge) Kết phân tử không khí bị ion hoá hình thành nên trộn lẫn phân tử ρ (4.3) Header Page 10 of 126 19 20 Để CTS bơm vào không khí phía cấu trúc ñược 4.1.2 Hệ thống dây dẫn Dây dẫn có nhiệm vụ kết nối hệ thống nối ñất với tạo ion Trước ñây dây dẫn thường ñược chôn rãnh sâu khoảng 25cm bảo vệ lượng ñiện tích dương q số lượng ñỉnh nhọn cần thiết cho trình phóng ñiện ñiểm là: (9,8 inches) Tuy nhiên, phương pháp ñược sử N= dụng ñể kết nối hệ thống tiếp ñịa phương pháp kích hoạt hóa học Đồng ống mềm có ñường kính 1,27 cm (1/2 N: Số lượng ñiểm nhọn cần thiết 4/0 AWG theo tiêu chuẩn Mỹ, ñược sử dụng ñể kết nối với hệ thống q: Điện tích không gian cần thiết, [C] tiếp ñất ñược kích hoạt hóa học Mỗi ñiện cực ñược kết nối với hệ Ip: Dòng ñiện ñiểm, [ µ A] thống dây dẫn ñiểm ñể có hệ thống nối ñất ñảm học với ñể ñạt ñược ñiện trở Ω thấp cần thiết Các ống ñồng cáp ñồng trần 4/0 AWG ñược chôn sâu 25cm (10 inches) không ñược sâu 40cm (16 inches) Tại khu vực nơi mà mặt ñất ñóng băng chôn sâu hơn.[6] t: Thời gian cần thiết ñể tích lũy q, [s] Dòng phóng ñiện ñiểm dựa theo nghiên cứu phòng thí nghiệm: Ip = 60 µ A/ñiểm trường hợp dông bão.[6] Khi tia tiên ñạo tiếp cận cách mặt ñất khoảng 100 mét, vận tốc di chuyển tia tiên ñạo cho 100 mét cuối 0.5m/ µ s Để ñối phó với ñiều ñó, lượng ñiện tích không gian 4.1.3 Tính toán thiết kế tạo ion ñáng kể phải ñặt ñúng vị trí trước tia tiên ñạo lan truyền.[10] 4.1.3.1 Tính toán ñiện tích không gian số ñiểm cần thiết Trong môi trường dông sét, CTS bơm lượng ñiện tích dương vào không khí phía cấu trúc ñược bảo vệ Lượng ñiện tích dương ñó ñược xác ñịnh theo phương trình sau : a q= Q A 4.1.3.2 Phạm vi bảo vệ hệ thống chuyển dịch ñiện tích (CTS) Phương pháp tính toán khu vực bảo vệ CTS ñược phát triển dựa so sánh với khu vực bảo vệ cột thu lôi Để tính phạm vi bảo vệ CTS so với cột thu lôi ta giả ñịnh (4.5) cường ñộ ñiện trường ñiểm A (cột thu lôi) ñiểm B (CTS) nên ta có: Trong ñó : q : ñiện tích không gian cần thiết [C] a : khu vực ñược bảo vệ [ m ] A: khu vực cảm ứng ñiện tích [ m ] Q: ñịên tích ñám mây [C] Footer Page 10 of 126 (4.6) Trong ñó: inches) Thành phần 99% ñồng nguyên chất dây cáp ñồng trần bảo kỹ thuật Ngoài ra, tất mối hàn ñược hàn bạc hàn hóa q I pt 2qr h 4πε (h + Rr2.0 ) = 2qCTS h 2 4πε (h + RCTS ) Header Page 11 of 126 21 22 Giải phương trình cho RCTS.0 ta ñược phương trình tính bán kính khu vực bảo vệ hệ thống CTS mặt ñất sau: RCTS = ( Nk ) (h + Rr2.0 ) − h , [m] 4.2.2 Tính toán chống sét cho tòa nhà phương pháp chuyển dịch ñiện tích 4.2.2.1 Tính toán tập trung ñiện tích ñất (4.10) Áp dụng công thức (4.2) ta có: Bán kính khu vực bảo vệ cột thu lôi mặt ñất R1 = ñược tính theo công thức sau: Rr = h(2d str − h) , [m] ρ 0.583692 L ln 29.2608 L −1 d Trong ñó: (4.11) Trong ñó: R1 ñiện trở ñiện cực [ Ω ] ρ ñiện trở suất ñất [ Ωm ] d str : khoảng cách phóng ñiện sét ñược xác ñịnh ñộ lớn L chiều dài ñiện cực , [m] dòng phóng ñiện sét d ñường kính ñiện cực, [m] 4.2 VÍ DỤ TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT CHO MỘT CÔNG TRÌNH CỤ THỂ Chọn chiều dài ñiện cực L=1m, ñường kính ñiện cực d=0,05m Thay ρ , L, d vào công thức ta có: Để ứng dụng cho lý thuyết ñã nghiên cứu so sánh phạm vi bảo vệ kim thu sét cổ ñiển CTS Sau ñây tính toán thiết kế R1 = chống sét cho tòa nhà FLC Landmark Tower Hà Nội Bằng hai phương pháp: phương pháp cổ ñiển (cột thu sét Franklin) phương R1 = 230[ Ω ] pháp chuyển dịch ñiện tích Tòa nhà FLC Landmark Tower có kích thước sau: - Chiều cao tòa nhà: 115 mét - Chiều rộng toa nhà: 44 mét - Chiều dài tòa nhà: 77 mét 25 29.2608 x1 ln −1 0.583692 x1 0.05 Số lượng tiếp ñịa cần sử dụng ñể hệ thống tiếp ñịa ñạt 5Ω: Áp dụng công thức (4.3) ta có: N= 4.2.1 Tính toán chống sét cho tòa nhà kim thu sét Franklin 4.2.1.1 Lý thuyết tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi 4.2.1.2 Tính toán chống sét cho tòa nhà Qua trình tính toán thiết kế cho tòa nhà ta thấy với việc bố trí 15 kim thu sét hình 4.10 chiều cao cột mét tòa nhà ñược bảo vệ an toàn Footer Page 11 of 126 R1 K RN Thay R1 = 230, RN =5, K=1.2 vào ta ñược: N= 230 x 1.2 = 55 Header Page 12 of 126 23 24 Số tiếp ñịa cần sử dụng 55 Các tiếp ñịa ñiện tích tia tiên ñạo 2.5C (95% tia tiên ñạo có ñiện tích ñặt cách khoảng 10 mét, ñóng xung quanh tòa nhà cần bảo vệ 2.5C) khoảng thời gian 25 µ s (thời gian ñi ñược 50 mét ñộ sâu cọc 0,4 mét so với mặt ñất tia tiên ñạo) số lượng ñỉnh nhọn N CTS cần thiết là: 4.2.2.2 Hệ thống dây dẫn N= Dùng ñồng ống mềm có ñường kính 2cm Thành phần 99% ñồng nguyên chất ñược sử dụng ñể kết nối với hệ thống tiếp ñất 4.2.2.3 Xác ñịnh phạm vi bảo vệ, chiều cao vị trí ñặt CTS ñược kích hoạt hóa học Mỗi ñiện cực ñược kết nối với hệ thống dây dẫn ñiểm ñể có hệ thống nối ñất ñảm bảo kỹ thuật Ngoài ra, tất mối hàn ñược hàn bạc hàn hóa học với ñể hệ thống tiếp ñịa ñạt ñược ñiện trở Ω thấp Các ống ñồng ñược chôn sâu cách mặt ñất 40cm 4.2.2.3 Bộ tạo ion Để CTS bơm vào không khí phía cấu trúc ñược bảo vệ lượng ñiện tích dương ñủ ñể trung hòa ñiện tích tia tiên ñạo 2.5C (95% tia tiên ñạo có ñiện tích 2.5C) Số lượng ñỉnh nhọn cần thiết hệ thống CTS : Áp dụng công thức (4.6) : N= q I pt Trong ñó: N: Số lượng ñiểm nhọn cần thiết q: Điện tích không gian cần thiết, [C] Ip: Dòng ñiện ñiểm, [ µ A] t: Thời gian cần thiết ñể tích lũy q, [s] Khi tia tiên ñạo tiếp cận cách mặt ñất khoảng 100 mét, vận tốc di chuyển tia tiên ñạo cho 100 mét cuối 0.5m/ µ s Nếu giả ñịnh CTS phải trung hòa lượng Footer Page 12 of 126 2.5 = 4000 ñiểm (25)(25.10−6 ) Một CTS với 4000 ñiểm nhọn ñược ñặt lên ñỉnh tòa nhà Giả sử chiều cao CTS so với ñỉnh tòa nhà mét Xác ñịnh phạm vi bảo vệ CTS sau: Bán kính bảo vệ kim thu sét Franklin có chiều cao mét là: Rr=1,5x8=12m Áp dụng công thức 4.10, ta có bán kính bảo vệ CTS: RCTS = ( Nk ) (h + Rr2 ) − h Cho hệ số k=1, thay giá trị vào công thức ta ñược: RCTS = (4000) (82 + 122 ) − 82 = 228m Vậy bán kính bảo vệ CTS 228 mét Ta nhận thấy rằng, ta ñặt CTS có số ñiểm nhọn 4000 ñiểm, chiều cao mét ñỉnh tòa nhà CTS loại trừ khả sét ñánh vào tòa nhà Sau tính toán thiết kế chống sét cho tòa nhà FLC Landmark Tower hai phương pháp kim thu sét hệ thống chuyển dịch ñiện tích ta có nhận xét : Với kích thước tòa nhà sử dụng kim thu sét sử dụng ñến 15 kim có chiều cao 8m ñảm bảo bảo vệ an toàn cho công trình Nhưng với phương pháp phân tán ñiện tích ta cần CTS 4000 ñiểm nhọn Header Page 13 of 126 25 26 có chiều cao 8m ñảm bảo an toàn cho công trình mà chuyển dịch ñiện tích vấn ñề cần quan tâm Qua luận văn kết phạm vi bảo vệ rộng so với công trình cần ñược bảo vệ ñạt ñược là: 4.3 KẾT LUẬN Tìm hiểu, hệ thống hóa lý thuyết phương pháp chống sét Nội dung chương ñã trình bày quy trình ñể thiết kế hệ chuyển dịch ñiện tích Đây lý thuyết chưa ñược ứng thống chống sét sử dụng phương pháp chuyển dịch ñiện tích dụng Việt Nam Nhưng giới lý thuyết ñã ñược ứng ví dụ minh họa cho công trình cụ thể Qua kết ñạt ñược dụng rộng rãi thu ñược thành công to lớn thấy việc thiết kế chống sét cho công trình Xây dựng ñược quy trình tính toán, thiết kế hệ thống phương pháp chuyển dịch ñiện tích khả thi có khả bảo chống sét chuyển dịch ñiện tích Qua tìm hiểu tính toán ta nhận vệ tốt công trình quan trọng trước tác hại dông sét thấy phương pháp bảo vệ công trình cách không Theo tính toán nhà khoa học, CTS thời gian 25 µ s cung cấp dòng ñiện phản ứng lên ñến 80kA lớn cho sét ñánh thẳng vào khu vực ñược bảo vệ khắc phục ñược nhược ñiểm kim thu sét cổ ñiển Mỗi ñỉnh nhọn phát dòng ion lên ñến 25A Tính toán thiết kế chống sét cho công trình tòa nhà FLC thời gian ngắn 25 µ s Điều chứng tỏ CTS sản xuất Landmark Tower Hà Nội ñã minh chứng ñược hiệu vượt lượng ñiện tích không gian lớn ñủ ñể ngăn chặn chấm dứt trội hệ thống chuyển dịch ñiện tích so với kim thu sét Franklin phát triển tia tiên ñạo Lý thuyết chống sét phương pháp chuyển dịch ñiện tích lý thuyết tương ñối Vì vậy, ñề tài không mục KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ñích nghiên cứu công nghệ khả thi ñể áp dụng vào thực tế Việt Nam nhằm khắc phục nhược ñiểm mà hệ thống chống Kết luận: Hiện Việt Nam, ñể chống sét cho công trình người sét cổ ñiển tồn Kiến nghị: ta thường dùng cột thu lôi Trong năm qua, kim thu sét Nếu ñược xem xét ứng dụng thực tế, phương pháp tính toán chứng tỏ hiệu chống sét cho công trình Tuy nhiên, với có hội ñược kiểm nghiệm, hoàn chỉnh phát triển thành công trình ñại có nhiều thiết bị ñiện tử nhạy cảm giải pháp hữu hiệu ñể chống sét cho công trình quan trọng hệ thống máy tính quan trọng kim thu sét thể nhược ñiểm Việt Nam Và ñây hướng mở rộng ñề tài việc triệt tiêu thành phần tần số cao Dẫn ñến nhiễu loạn tín hiệu ảnh hưởng ñến xác hệ thống máy tính gây hỏng hóc thiết bị ñiện tử Vì nghiên cứu chống sét với công nghệ theo phương pháp Footer Page 13 of 126  ... cứu pháp phòng chống sét Nghiên cứu thiết hệ thống chống sét chuyển dịch ñiện tích CTS (Charge Transfer System), cụ thể tính toán thiết kế hệ thống Chương 2: Chống sét phương pháp chuyển dịch. .. dòng phóng ñiện sét ñiểm ñó ñộ lớn thời gian bé làm hỏng thiết bị ñiện tử nhạy cảm CHƯƠNG CHỐNG SÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH 2.1.1 Lý thuyết... ñiện tích dương âm ñám mây bão 2.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHỐNG SÉT CHUYỂN DỊCH qpos ñiện tích dương nằm ñám mây bão ĐIỆN TÍCH Hpos, Hneg, hpos chiều cao loại ñiện tích tương ứng Hệ thống chống sét chuyển