Giáo trình Cao áp - Chương 1

Giáo trình Cao áp Trường: BÁCH KHOA HÀ NỘI Giảng viên: TRẦN VĂN TỚP

Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét Phần : Quá điện áp khí Chơng : Hiện tợng phóng điện sét 1.1 Mở đầu 1.1.1 Lịch sử Việc nghiên cứu dông sét biện pháp bảo vệ chống sét đà có lịch sử lâu dài Từ xa xa, ngời đà bị khiếp sợ quyến rũ sấm sét (hiện tợng kỳ bí thiên nhiên, vị thần sét, giận Ngọc hoàng, ý niệm trừng phạt tội lỗi) Thời cổ đại, để bảo vệ khỏi sét đánh Jules Cộsar mang vòng nguyệt quế, Auguste Sộvốre Alexandre nấp dới da bò giông sét Mỗi dân tộc có vị thần : Thần sét ngời Trung hoa ngời Việt, Indra ngời Indus, Jupiter ®èi víi ng−êi La m·, Thor ®èi víi tộc Đức cổ đại, Zeus ngời Hy lạp MÃi đến kỷ XVIII có quan sát khoa học tợng thiên nhiên : năm 1752, Benjamin Franklin đà chứng minh chất điện sét (thí nghiệm với cánh diều bay ngày giông sét) Còn G W Richmann đà bị chết thí nghiệm đặt mái sắt nối trực tiếp đến phòng làm việc 1.1.2 Nghiên cứu đại sét Ngày biết Sét tợng phóng điện hai vùng có điện tích trái dấu đám mây dông mặt đất Dòng điện sét (dạng xung kích) có biên độ lớn kéo dài khoảnh khắc vài chục micro giây Phóng điện sét cha đợc biết đầy đủ, sét đâu xuất Để nghiên cứu : sử dụng tháp cao, (do xác suất phóng điện sét vào công trình cao lớn) thiết bị đo tự ghi (xác định đợc biên độ, độ dốc dòng điện sét) quan sát hình ảnh (mô tả đầy đủ tiến trình không gian - thời gian phóng điện sét) 1.1.3 Tại ngày phải nghĩ bảo vệ chống sét? Bảo vệ chống sét có phải đà có lịch sử dày (gần 250 nămphát minh cột chống sét) Đà tìm biện pháp để bảo vệ chống sét cách có hiệu quả, an toàn, đáp ứng đợc nhu cầu Tuy nhiên dông sét - tợng tự nhiên (mật độ, thời gian cờng độ sét mang tính ngẫu nhiên), hình Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét thành phát triển sét xác định hàng loạt trình vật lý phức tạp Vì nghiên cứu chống sét tồn nhiều vấn đề cần giải tăng trởng nhanh quy mô công trình xây dựng diện tích chiều cao, nghĩa số lần sét đánh tăng lên, hậu thiệt hại kinh tế sét gây nên không ngừng tăng đặc điểm dông sét, tính chất mức độ tác hại dông sét gây vùng lÃnh thổ điều kiện địa lý khác nhau, khác vùng phải tự tiến hành điều tra nghiên cứu dông sét (các thông số, đặc tính hoạt động) để có biện pháp phòng chống sét thích hợp có hiệu 1.1.4 Sét tác nhân nguy rủi ro cao Các công trình đặc biệt nguy hiểm : kho chứa nhiên liệu chất dễ cháy nổ, thiết bị điện cao áp hạ áp, thiết bị biến đổi, thiết bị điều khiển tự động Sự phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, xuất hệ thống lớn (hệ thống điện, hệ thống thông tin), hoạt động ngời ngày nhạy cảm với nhiễu loạn điện từ sét gây Sét công công trình băng nhiều cách khác sét đánh trực tiếp vào công trình đợc dự đoán trớc cách có chủ ý (cột thu sét) không chủ ý (ống khói ) cách gián tiếp nhiễu loạn điện từ gây tăng cục phận nối đất nhiễu loạn cảm ứng điện từ trực tiếp Thiệt hại sét phá huỷ thiết bị, rối loạn qúa trình điều khiển, giám sát, thông tin 1.1.5 Tại vào mùa đông lại sét? Sét tợng thiên nhiên gắn với đám mây dông mùa hè, quan sát nghe thấy tiếng sấm mùa đông Sét sinh có chênh lệch lớn nhiệt độ độ ẩm hai luồng khí Mùa đông, chênh lệch không lớn lắm, không thuận lợi cho sản sinh điện tích xuất sét (ví dụ sét mùa đông có bÃo tuyết mạnh, khối lợng không khí lạnh lớn phủ khối lợng không khí nóng ẩm mặt đất) 1.7 Sét lửa Saint-Elme Một dạng điện tích khí khuyển quan sát thấy, sét Dạng đặc biệt xuất phần điện tích cú sét mây dông - mặt đất tạo thành dạng vòng tròn Sét di chuyển mặt đất leo lên đồ vật Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét sau bị nổ tung biến Đôi khi, tích luỹ điện tích trái dấu không đủ để gây phóng điện tạo thành sét, số tia lửa điện màu xanh xuất đỉnh vật nhọn hớng phía đám mây dông (hiện tợng đợc ghi nhận sớm đỉnh cột buồm tàu biển, gọi lửa Saint-Elme tên vị thần thuỷ thủ 1.2 Nhận thức phóng điện sét Sét dạng phóng điện tia lửa mÃnh liệt khí với khoảng cách điện cực lớn (trung bình khoảng km) Dạng phóng điện xảy đám mây mặt đất đám mây mang điện tích khác 1.2.1 Thành phần không khí Không khí khô không màu sắc, không mùi vị, đợc cấu tạo hai chất khí : Ni tơ chiếm 78% (thể tích) oxy chiếm gần 21%, có Ar : 0,93%, CO2 : 0,03%, chất khí lại Ne, He, H2, O3 :0,0l% Tỷ lệ phần trăm không thay đổi theo chiều ngang cịng nh− theo chiÕu cao khÝ qun (riªng cacbônic ozon phân bố không không ổn định nguồn gốc phát sinh chúng) Lợng khí cacbônic quan trọng thực vật, có khả cho lợng Mặt Trời xuyên qua khí tới mặt đất ngăn cản xạ mặt đất, lợng khí cacbônic tăng nhiệt độ mặt đất tăng Lợng ôzon chi có 0,000001% thề tích nhng không ổn định, tập trung độ cao 25 - 30km, giảm dần xuống dới lên phía trên, đến độ cao 60 km không Oxy hấp thụ lợng Mặt Trời, bị phân li thành nguyên tử, nguyên tử oxy kết hợp với phân tử oxy thành phân tử ôzon : O2 O + O ; O2 + O = O3 Oz«n hấp thụ tia tử ngoại, bị phân li thành nguyên tử phân tử oxy : O3 O2 + O ; O + O→O2 Nhê cã ozon hÊp thô tia tử ngoại nên sống trái đất không bị đe doạ lợng tử ngoại 1.2.2 Cấu trúc khí Khí đợc chia thành tầng đồng tâm sau : a) Tầng đối lu dày u từ mặt đất đến độ cao 10-15 km (4/5 khối lợng không khí nằm tầng bình lu) thay đổi theo thời gian không gian : mùa hạ lớn mùa đông, xích đạo lớn cực không khí chuyển mạnh theo chiều thẳng đứng nhiệt độ giảm dần theo chiều cao (trung bình 0,6oC 100 m) Tất trình xảy tầng đối lu có ý nghĩa định đến thời tiết khí hậu mặt đất b) Tầng bình lu nằm từ giới hạn tầng đối lu đến độ cao 50-60 km Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét nhiệt độ tăng theo chiều cao (do có lớp ozon nằm tầng này) Không khí chuyển động theo chiều thẳng đứng yếu, chuyển động theo chiều ngang chiếm u Hơi nớc ít, độ cao 25 km thấy mây xà cừ (cấu tạo từ hạt nớc lạnh) c) Tầng giới hạn từ độ cao 50 đến 80 km nhiệt độ giảm mạnh theo chiều cao (xng tíi -70 ®Õn -80 oC ë ®é cao 80 km) áp suất độ cao 80 km giảm 1/200 lần áp suất mặt đất (không khí loÃng d) Tầng ion từ giới hạn tầng đến độ cao khoang 100 km lớp dới, nhiệt độ tăng theo chiều cao (2000-3000 oC độ cao 300 km), gọi lớp nhiệt, bên lớp nhiệt độ lại giảm mạnh đến nhiệt độ không gian vũ trụ phân tử khí bị ion hoá, điện dẫn suất tăng lên 1012 lần so với lớp không khí gần mặt đất tầng ion có khả hấp thụ, khúc xạ phản hồi sóng điện từ tợng cực quang (điện tích phát từ Mặt trời rơi vào từ trờng Trái đất bị lệch hớng, xâm nhập vào miền cực Trái đất, gây tợng phát sáng lớp khí cao) e) Tầng khuyếch tán độ cao từ 1000 km đến khoảng 2000 km Đặc điểm : có khả làm khuyếch tán chất khí vào kh«ng gian vị trơ, kh«ng khÝ v« cïng lo·ng, tèc độ chuyển động chất khí lớn, 1.2.3 Nhiệt độ nớc khí Hơi nớc không khí không ổn định, giao động từ 0-4% trình bốc từ mặt nớc, mặt đất thoát nớc từ thực vật Khi nớc bốc hơi, lớp không khí sát mặt đất nhận đợc nhiều nớc nhất, sau trình khuyếch tán trao đổi theo chiều thẳng đứng,hơi nớc đợc đa lên cao Bốc nớc cần tiêu hao lợng (cứ bốc đợc gam tiêu hao khoảng 600 cal : mà vùng có lợng nớc bốc lớn có nhiệt độ không khí thấp với vùng lợng bốc ít) không khí bị bÃo hoà nớc nớc đạt tới giới hạn tối đa nhiệt độ nhiệt độ tiếp tục giảm xuống việc ngng kết nớc diễn (nớc thể trở thành thể lỏng dới dạng hạt nớc nhỏ) tụ lại thành mây hay sơng mù nhiệt độ xuống dới 0oC, nớc từ thể biến thành thể rắn (những hạt nớc mây lớn dần lên va chạm hút lẫn nhau, có đủ kích thớc trọng lợng để thắng lực cản trình bốc đờng đi, chúng rơi xuống mặt đất mà ta gọi ma khí quyển) Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét 10 hình thành hạt nớc nhỏ ngng kết khí đợc diễn tâm (hạt nhân liên kết Trong thực tế hạt nhân ngng kết có mặt không khí (những tinh thể muối từ mặt nớc biển, sản phẩm cháy tự nhêun chất khí nhà máy phun vào) 1.2.4 Điện tích khí (Trong điều kiện thời tiết tốt ) Rt Trái đất phận hệ phức hợp điện khí gåm Mong olie Corée du N ord Corée du Su d Japon Afghanist an Rh môi trờng dẫn điện (électrosphère) Chine Pakistan Népal Bhouta n Taïwa n Inde Vietnam B irmanie B anglad esh Laos Thaïl and e Phi lippines Cambo dge Sri Lank a Brunei Malaisie Singapo ur Indon ésie Nouvelle Guinée Papouasi eNouvelle Guinée mét líp kh«ng khí (lớp cách điện) dày chừng 50 km địa cầu Rt - bán kính trung bình trái đất (6367 km), Rh - bán kính tầng điện ly Héaviside (6467 km) Vì vây trái đất đợc mô tả nh tụ điện hình cầu khổng lồ có điện dung b»ng : C= −12 4πε 1 − Rt Rh = 4.3,14.8,85.10 = 46 (mF ) 1 − 6367.10 6467.10 Do trái đất đợc tích ®iƯn lu«n lu«n Khi thêi tiÕt tèt, cã mét ®iƯn trờng yếu hớng xuống mặt đất (tại mặt đất giá trị đo đợc vào khoảng 100 đến 400 V/m) Không khí điện môi lý tởng (có lợng + Rh + điện tích trình ion hoá tự nhiên) + + Et 0k m Rt - - - - + + Dới tác dụng điện trờng trái đất, ion chuyển động - làm xuất dòng điện hớng phía mặt đất) B o ta hu n Tïwn aa In e d Bn e a gladsh B aie irmn V tn m ie a Lo as Ta n h ïla de 14 Cré d Nrd oeu o Cré d S d oeu u Jp n ao Cin he Np l éa Pk aistan Cu h io is e oc e n é d Ha is e e e v id Mn o og lie A hn n fg aista Dòng điện tổng : I = J S = γ E t S ; γ lµ ®iƯn dÉn st cđa kh«ng khÝ : + Pilipp e h ins γ =n+q+ μ+ +n−q−μ− S, diÖn tÝch bề mặt địa cầu S ( S =4..R =5,1.10 m ) t −4 −1 −1 −19 §é linh hoạt ion âm dơng = =1,8.10 m V s , điện tích q =q =1,61.10 C mËt ®é ®iƯn tÝch + − + − −3 n+=n−=1000cm , ®iƯn dÉn st b»ng 2,3.10-14 Ω-1m-1 Víi mét ®iƯn trờng 150V/m, ta xác định đớc dòng điện khí trái đất : I = .E t S = 1760 A 1.2.2 Sự hình thành đám mây Mây tập hợp sản phẩm ngng kết hay thăng hoa nớc độ cao khác có hình dáng khác có tính chất vật lý phức tạp Mây đợc hình thành trình chuyển động lên không khí ẩm chúng bị lạnh Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét Không khí chuyển động lên đối lu (không khí bị đốt nóng phía dới mặt đệm), không khí trợt lên cao dọc theo mặt fron theo sờn núi Khi nhiệt độ hạ xuống dới điểm sơng, ngng kết hạt nớc đợc thực Mây đợc cấu tạo hạt nớc tinh thể băng, hai loại (mây hỗn hợp) Mây hỗn hợp phát triển cao mây nớc mây băng Mây đợc chia thành tầng chân mây gồm tầng (tầng cao, tầng tầng thấp) tầng thứ t mây phát triển theo chiều thẳng đứng (khối mây riêng biệt, chân thờng tầng thấp, đỉnh thờng tầng tầng cao) Mây đợc chia thành 10 loại phân chia theo tầng Mây tầng cao (chân mây cao km) gồm mây ti (cirus), mây ti tích (circomulus) mây ti tằng (cirostratus) Mây tầng cao thờng mây băng, mỏng suốt, nhẹ, màu trắng bóng râm Mây tầng (chân mây cao từ đến km) gồm mây trung tích (altocumulus) mây trung tằng (altostratus) Mây tầng thờng mây nớc hay mây hỗn hợp, dầy đặc mây tầng cao; mây tầng có cho ma nhng tới đất Mây tầng thấp (chân mây cao từ 0,5 đến km) gồm mây tằng tích (stratocumulus) mây tằng (stratus) mây tằng vũ (nimbostratus) Mây tầng thấp cấu tạo từ hạt nớc hay hoa tuyết nhỏ, sau lớn dần lên Mây có màu xám tro dày đặc.) Mây tằng tích mây tằng thờng cho ma phùn, mây tằng vũ cho ma lớn Mây phát triển theo chiều thẳng đứng gồm mây tích (cumulus) mây tích vũ (cumulonimbus) Mây phát triển theo chiều thẳng đứng mây đối lu, hình thánh không khí bốc lên cao đối lu Trên đất liền vào mùa hạ mây xuất vào tra tan vào buổi chiều Ngoài biển đại dơng, mây phát triển vào ban đêm Mây tích không cho ma, phát triển thánh mây tích vũ cho ma rào lớn dới dạng lỏng hay rắn Về mùa hạ, ma từ mây vũ tích thờng kèm theo giông 1.2.2 Sự hình thành đám mây dông Quá trình phóng điện sét giống nh trình xảy trờng không đồng Trớc có phóng điện, có phân chia tích luỹ điện tích mạnh đám mây tác dụng luồng không khí nóng thổi bốc lên bầu khí bất ổn định nớc ngng tụ đám mây 1.1.2.1 Sự hình thành đám mây Hiện tợng giông sét xảy đám mây trải rộng diện tích hàng chục kilomét vuông dày nhiều kimomét cách mặt đất trung bình kilomét đợc goi mây vũ tích (cumulo-nimbus) Thể tích đám mây đạt 100 km3 chứa hàng trăm nghìn nớc Chúng đợc hình thành hiệu ứng dòng chuyển động lên mạnh xuất luồng không khí ẩm, chênh lệch nhiệt độ cao gặp Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét Chúng hình thành đám mây nhiệt mặt đất nóng độ ẩm lại cao Một số giả thiết giải thích hình thành điện tích đám mây giông luồng khí bốc lên cao thổi xuống đạt vận tốc 20 m/s : hạt nớc đám mây bị đóng băng đạt tới tầng đẳng nhiệt 0oC Các hạt bốc lên cao tập trung đỉnh đám mây, giọt nớc đọng lại bên phía dới đám mây va chạm mạnh liệt tinh thể giải thoát điện tử, làm xuất điện tích dơng đỉnh đám mây lớp dới đám mây tích điện âm Tuy chất vật lý trình phân chia điện tích cha thật rõ ràng Các dông đối lu phụ thuộc vào hình thánh đám mây hiệu ứng kết hợp độ ẩm không khí đốt nóng cục mặt đất (lợng không khí nóng ẩm hình thành, thổi lên cao, hầu nh cách biệt với không khí xung quanh) Đám mây giông hình thành độ cao nơi trình ngng kết bắt đấu Đó đám mây nhiệt, khu trú, thờng gặp vùng nhiệt đới dông fron lại xuất luồng không khí lớn (nhiệt độ độ ẩm khác nhau) gặp Các dông thờng mạnh mẽ hơn, linh hoạt giông đối lu, kéo dài nhiều ngày di chuyển xa hàng nghìn kilomét, dông kèm theo gió xoáy (cyclonique) hình thành đám mây xảy có cân mpật độ không khí xung quanh độ cao 10-12 km, độ cao gọi bình lu này, dòng không khí ngang dội quét đỉnh đám mây tạo cho chúng dạng đặc trng nh đe Các đám mây tích điện, dẫn đến xuất điện trờng phía dới đám mây Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn Hình thành Phát triển Trởng thành Suy giảm (khoảng chục phút (Thời gian biến động lớn, tới hàng giờ) (5 đến 35 phút ) - khởi đầu giai đoạt hoạt động - tác động điện mạnh mẽ - giảm dần hoạt Khởi đầu chế - tác động điện đám - phát triển đứng tối đa động bên tích điện mây - hoạt động đối lu mạnh - sÐt, m−a lín, m−a - giã d÷ déi thỉi xng mẽ đá, gió lớn 1.1.2.2 Sự phát sinh điện tích đám mây đông Quá trình phân chia điện tích xảy bên đám mây đồng thời với trình nhiệt động học Quá trình nhiễm điện tích ngày cha đợc làm sáng tỏ hoàn toàn Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét chuyển động dội luồng khí di chuyển xuống d−íi vỊ phÝa trung t©m cđa khèi m©y ph©n tư bị nhiễm điện chuyển động tợng ma sát Các điện tích hình thành va chạm thuỷ băng (hydromộtộores) có nớc chậm đông, kết tủa nhiều sản phẩm tợng nung nóng lợng không khí ẩm bầu khí bất ổn định Tuy nhiên, hai thuyết đợc đa để giải thích tợng lý thuyết sức hút lý thuyết đối lu a) Thuyết đối lu Thuyết đối lu quan tâm đến chuyển động không khí nội đám mây Nguồn gốc bên cung cấp điện tích cho đám mây : hiệu ứng xạ tia vũ trụ, tia cực tím, phóng xạ tự nhiên làm xuất photon có lợng đủ lớn để ion hoá phân tử khí trung hoà hiệu ứng vầng quang (sự ion hoá không khí xảy cờng độ điện trờng đạt tới ngờng 26-30 kV/cm) Hiệu ứng vầng quang sinh ion,chuyển động không khí nóng di chuyển ion phía đám mây Sự kết hợp hai hiệu ứng tảng cấu trúc điện tích đám mây Khi vùng phía cao đám mây ion dơng lôi kéo ion âm hình thành xạ Các ion âm gắn kết với giọt nớc tới đám mây tạo thành lớp chắn Sau đó, dòng không khí thổi xuống phía mặt đám mây kéo điện tích xuống phía d−íi b) Thut søc hót träng tr−êng Thut søc hót trọng trờng dựa sở vật lý điện tích âm có khối lợng lớn điện tích dơng phân chia điện tích xảy theo gián chênh lệch khối lợng xuất hiƯn ®iƯn tÝch sù can thiƯp trùc tiÕp cđa sức hút trái đất (đám mây cấu tạo hạt có trọng lợng khác : tính thể đá đóng băng, hạt nớc lớn, sơng mù chứa hạt nớc nhỏ) Khi hạt rơi xuống chúng nhiễm điện tích dơng, sơng mù lại nhiễm điện tích âm Sự ma sát không khí với hạt nớc làm xuất điện tích giống nh trình nhiễm điện tích cọ sát ebonit vào da mèo Nh−ng lý nµy ch−a hoµn toµn thut phơc sù xuất điện tích phân nhỏ không giọt nớc ma Dòng di chuyển phải chịu thăng giáng nghiêm trọng để thổi bay hạt nớc dạng túi mà phần đáy bị mỏng đi, bị đánh Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét thủng bị vỡ thành giọt nhỏ sau bị gió Các giọt nhỏ li ti từ túi nớc mang điện tích dơng, hạt khác kéo theo điện tích âm Điện tích đạt tới 10-10 C/cm3 nớc Thuyết lực hút đòi hỏi trình trao đổi điện tích hạt kích cỡ khác Khi hạt nớc đóng băng xuất vùng nóng di chuyển qua vùng lạnh, gặp hạt nớc đóng băng lạnh hạt nóng nhờng khuyết tật dơng cho hạt lạnh nhanh hạt lạnh nhờng khuyết tật âm Các hạt lạnh tích điện dơng Cơ chế phân chia điện tích đám mây dông phức tạp Hai trờng phái đối đầu với đợc hoàn chỉnh: thuyết vi mô quan tâm đến chất lợng ma dựa tợng phân cực (quan điểm cho sựi hình thành lỡng cực phân ly cục điện tích) thuyết vĩ mô lại quan tâm đến luồng khí đối lu đám mâybvà dựa lý thuyết khuyếch tán Ngời ta phân biệt nguyên nhân chủ yếu điện tích đám mây : rơi hạt nớc luồng khí thổi xuống băng giá clivage đóng băng Kết luận Các lý thuyết có điểm chung điện tích bị phân chia, chuyển đổi xảy chúng có chất khác Những hạt mang điện tích dơng thờng nhẹ nên dễ bị luồng không khí bốc lên kéo theo, hạt mang điện tích âm nặng lại rơi xuống cho dù có luồng khí bốc lên 1.1.2.3 Cấu trúc đám mây Quá trình phân ly điện tích làm cho phần phía đám mây (vùng P) gồm hạt nớc đóng băng tích điện dơng, phần phía dới (vùng N) mang điện tích âm Hình 1.9 : Phân bố điện tích đám mây dông (theo D J Malan) điện tích chủ yếu tập trung hai vùng P N (lên đến khoảng 40 C) Trong phần dới cùng, có vùng không lớn gồm điện tích d tích điện dơng (vùng p) Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét khoảng 80-90% trờng hợp sét phóng điện xuống đất, điện tích mây có cực tính âm, số trờng hợp, lớp điện tích đám mây tích điện âm đám mây với mặt đất hình thành tụ điện mây đất, tạo điện trờng mạnh điện trờng đạt ngỡng, phóng điện xảy : phóng điện đám mây gọi tia chớp mây mây (cloud-to-cloud discharge), đám mây mặt đất sét (cloud-to-ground discharge) độ cao trung bình, 30-40% phóng điện sét xuống mặt đất, lại 60-70% phóng điện xảy đám mây nội đám mây 1.1.2.4 Điện trờng tĩnh điện mặt đất Nếu mây, điện tích tồn bề mặt đất mang dấu âm tạo điện trờng tĩnh điện hớng phía mặt đất khoảng vài trăm volt mét (điện trờng thời tiết đẹp) Khi có đám mây dông đến gần, điện trờng mặt đất đổi dấu, tăng dần Nếu đạt giá trị từ -15 kV/m đến -20 kV/m, phóng điện từ đám mây xuống mặt đất sáp xảy a) b) toàn cầu trung bình có khoàng 44000 dông ngày, 100 tia chớp giây phần lớn phóng điện xảy đám mây, phóng điện mây - mây phóng điện mây - đất đớc quan tâm nghiên cứu nhiều dù số lợng chúng nhiều nhng hậu chúng gây nên thật nghiêm trọng Sấm chớp thờng kèm theo bÃo, nhng dông thờng xẩy từ tháng đến tháng 10 cuối buổi chiều trớc mặt trời mọc Phát triển với vận tốc 40 000 km/s tia chớp xuất có dạng hình có nhiều nhánh a) Sấm Sấm tiếng động phóng điện (tia chớp) gây ra, sóng âm lan truyền, không khí bị nén nở dội Khi mà tia chớp thẳng ngắn, tiếng sấm nghe nh đơn điệu Khi tia chớp kéo dài có hình cây, nghe thấy tiếng sấm rền ầm ầm miền khí hậu ôn đới trung bình cø tia chíp cã mét có sÐt, nh−ng ë vùng nhiệt đới tỉ lệ vợt Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét sét cực tính dơng phần phía dới đám mây mang điện tích dơng Hình : tia tiên đạo cực tính âm phát triển từ đám mây xuống đất, Hình : tia tiên đạo cực tính dơng phát triển từ mặt đất phía đám mây Hình : tia tiên đạo dơng phát triển từ đám mây xuống đất, Hình : tia tiên đạo cực tính âm phát triển từ vật cao mặt đất phía đám mây b) Giai đoạn phóng điện ngợc Nối tiếp sau tia tiên đạo hồ quang phóng điện ngợc (return strocke) tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất (các vật dẫn điện nối với đất), bắt đầu giai đoạn phóng điện chủ yếu sét : điện trờng khoảng không gian đầu tia tiên đạo với mặt đất có trị số lớn, bắt đầu trình ion hoá mÃnh liệt không khí dẫn đến hình thành dòng plasma với mật độ lớn nhiều so với tia tiên đạo, dòng plasma đợc kéo dài điện tích dơng mặt đất di chuyển ngợc lên phía theo dòng tiên đạo với tốc độ lớn đợc gọi giai đoạn phóng điện ngợc (return stock), kèm theo phát sáng mÃnh liệt tiếng nổ dội (sấm, sét) dòng điện qua kênh sét đạt biên độ hàng trăm kiloampe với thời gian hàng trăm microgiây Chính giai đoạn gây nên nguy hiĨm cđa phãng ®iƯn sÐt c) KÕt thóc phãng điện hình thành hồ quang điện cú sét chứa xung dòng điện nhất, nhng đám mây chứa điện tích sau dòng điện kết thúc trình lại lặp lại : tia tiên đạo phát triển từ đám mây xuống mặt đất theo đờng phóng điện tia tiên đạo ban đầu giai đoạn tia tiên đạo không phát triển theo tia loé sáng nh tia tiên đạo mà có dạng liên tục Giai đoạn ba sét kết thúc di chuyển điện tích đám mây xuống đất loé sáng biến Lúc điện tích lớp mây theo dòng plasma chuyển phía mặt đất tạo nên dòng điện nơi sét đánh, tia tiên đạo giai đoạn đợc gọi "dart leader" Một có sÐt phãng ®iƯn xng ®Êt cã thĨ gåm nhiỊu tia tiên đạo, sau tia hồ quang phóng điện ngợc Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét có tia tiên đạo rẽ nhánh a) 1.3 b) Các tham số Tham số chủ yếu phóng điện sét giá trị biên độ dòng điện sét (Imax) tiến trình thời gian (chúng ta nói ngắn gọn dạng) dòng điện sét : thời gian đầu sóng thân sóng (tf/tq), độ dốc dòng điện sét (di/dt) Các tham số khác (cờng độ hoạt động, điện tích Q, lợng i dt (J ) , thời gian tồn tại, vận tốc, áp suất nhiệt độ kênh sét) Các đặc tính điện cú sét xuống đất theo kết đo trực tiếp Việc thu thập xử lý số liệu ghi trực tiếp cú sét xuống đất cho phép tính toán mật độ xác suất tơng đối thông số phóng điện sét Tham số phóng điện mây - đất Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét Tham số 10 cực tính âm cực tính dơng Tần suất (%) 85 15 Dòng điện cực đại trung bình (kA) 25 35 Bán thời gian tồn trung bình (microsec) 30 230 Số phóng điện ngợc trung bình cú sét 3-4 Trị số trung bình thống kê cú sét xuống đất cực tính dơng 3,83/77,5 24,3 31,1 5,7.104 4,65 35 Quá trình chuyển tiếp từ phóng điện tiên đạo sang phóng điện chủ yếu đợc phóng đoán nh ngắn mạch chạm đất dây dẫn tích điện thẳng đứng + - + + - - σ + + + + + + u(t) Ucr 0.5Ucr T30 T90 Tcr T2 t Gi¶ thiết giai đoạn phóng điện tiên đạo hình thành kênh dẫn (dây dẫn thẳng đứng) có mật độ điện tích âm không đổi Nếu ta đóng khoá K, điện tích âm kênh dẫn bị trung hoà điện tích dơng kênh dẫn từ mặt đất hớng lên Nếu trình trung hoà lan truyền với vận tốc v, ta có dòng điện sét : I s = v Nếu nh dây dẫn đợc ngắn mạch qua điện trở R dòng điện sét bị giảm xác định : I s = v Z Z+R Trong Z tổng trở sóng kênh sét Dòng điện sét phụ thuộc vào điện trở nối đất điểm dòng điện sét vào đất Các kết nghiên cứu cho thấy tổng trở sóng kênh sét vào khoảng từ 1,1 đến k Các nghiên lý thuyết cho thấy với dòng điện sét có biên độ lớn tới hạn, tổng trở kênh sét Z giảm đến 300-600 Với giá trị ảnh hởng điện trở chỗ sét đánh không lớn đến dòng điện sét (ở cột thu sét cột điện, phận nối đất thờng có điện trở nối đất tối đa không qua 50 ) với mức độ xác cần thiết tính toán bảo vệ chống sét hệ thống thu sét coi điện trở tơng đơng kênh sét vô lớn, có nghĩa coi sét nh nguồn dòng Nếu sét đánh vào nơi phân nối đất có điện trở nối đất lớn, dòng điện sét giảm nhiều theo quy ớc thờng lấy nửa dòng điện sét nơi có nối đất tốt 1.3.1 Kỹ thuật điện áp cao Dạng xung dòng điện sét PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét chỗ tăng vọt dòng điện sét ứng với giai doạn phóng điện ngợc đỉnh điểm dòng điện sét ứng với thời điểm tia tiên đạo nối liền với đất, thời điểm hình thành hồ quang kênh sét Còn trình chuyển dịch điện tích từ đám mây xuống đất tơng ứng với đoạn giảm dần đờng cong dòng điện sét Cú đợc đặc trng thời gian đầu sóng dòng điện sét tăng từ đến giá trị đỉnh khoảng thời gian vài micro giây thời gian thân sóng dòng điện sét giảm khoảng từ 100 đến 200 s 1.3.2 Biên độ dòng điện sét Dòng điện sét đợc Kohlrausch đa vào năm 1888 : ghi nhận nóng chảy dây kim loại bị sét đánh Nhiều phơng pháp khác đợc sử dụng để độ độ lớn dòng điện sét : năm 1897, Poekels đà dùng mẩu đá bazan (basalte - vật liệu có đặc điểm độ từ hoá phụ thuộc vào biên độ dòng điện), ngày vòng dây từ tính phơng pháp đợc sử dụng phổ biến để đo biên độ dòng điện sét (đặt đo cảm biến thụ động tháp cao, đo cảm biến tên lửa đẩy kéo theo sợi dây kim loại) Cú sét cực tính âm có nhiều xung liên tiếp Biên độ dòng điện sét phân bố rộng từ 3kA đến 200kA Các cú sét cực tính dơng đặc trng xung nhất, kéo dài hơn, biên độ dòng điện sét lớn (vợt 100kA) Phân bố dòng điện sét : biên độ dòng điện sét ghi nhận đợc với xác suất xuất Biên độ dòng điện sét giá trị lớn nhât xung dòng ghi nhận đợc Tia phóng điện ngợc mang dòng điện lớn biên độ dòng điện thờng không lớn 200-300 kA, 5% trờng hợp, biên độ dòng điện sét lớn 200 kA (2000 kA cú sét cực tính dơng) Trong thực tế ngời ta sử dụng phân bố dạng : P ( I s ) = 10 − Is 60 =e − Is 26,1 hc lnP ( I s ) = Is 26,1 Biên độ dòng điện sét shunt ddo đỉnh núi Mon San Salvatore (Tessin Thuỵ sĩ) 10% 2% 0,5% Giá trị lớn ghi ®−ỵc > 40 kA > 60 kA > 90 kA 325 kA Trong tính toán thờng lấy biên độ dòng ®iƯn sÐt cùc ®¹i b»ng 50-100 kA 1.3.3 Kü tht điện áp cao Độ dốc PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét Độ dốc cực đại dòng điện sét thờng không vợt 50 kA/às, tính toán thờng sử dụng độ dốc trung bình Độ dốc dòng điện sét đợc ph©n bè theo mét quy lt thùc nghiƯm : P (a s ) = 10 Xác suất Biên độ dòng ®iÖn P% I (kA) 50 10 26 73 180 §iƯn tÝch Q (C) §é dèc a (kA/µs) 69 330 48 74 97 ∫i − a 25 dt G(kA /s) 0,54 1,9 35 =e − a 10,9 hay lnP (a s ) = Độ dài às Số phãng ®iƯn 0,09 0,56 2,7 a 10,9 1,8 12 Trên vùng núi (độ cao 1000 m so với mực nớc biển), biên độ dòng điện độ dốc dòn điện sét thờng có giá trị nhỏ hai lần Giữa biên độ độ dốc dòng điện sét có tơng quan yếu : dòng điện sét lớn thờng có độ dốc lớn Tuy nhiên số liệu thiếu nên ngời ta coi hai đại lợng ngẫu nhiên độc lập P( I s , a s ) = P( I s ) + P(a s ) 1.3.4 Độ dài xung dòng phóng điện sét Độ dài dòng điện xung sét xác định khoảng thời gian điểm kA đầu sóng (là trị số thấp ghi nhận đợc) điểm dòng điện sét giảm 50% giá trị biên độ Độ dài trung bình dòng điện sét khoảng 40 às Khi phân tích sơ đồ chống sét, dạng sóng sét đợc thay đoạn thẳng xiên góc có độ dốc trung bình a= dI s I s = τ dt Khi tÝnh toán để đơn giản trờng hợp cụ thể có dạng sóng khác 1.3.5 Năng lợng Dù lợng sét thật khủng khiếp nhng thời gian tồn lại ngắn ngủi, nên công suất thời gian thực tế lại không lớn Một cú sét trung bình di chuyển điện tích 20 C (coulombs) xuống đất Năng lợng giải phóng tơng đơng 145W/km2 năm Chỉ cần so sánh công suất với tổ máy điện nguyên tử khoảng 1200 MW để thấy công suất bé để sử dụng Kỹ thuật điện áp cao PDF by http://www.ebook.edu.vn Phần I Chơng : Hiện tợng phóng điện sét Các thông số đặc trng phóng điện sét Tham số Đơn vị 95% Biên độ Cú đầu tiªn (minimum 2kA) Có tiÕp theo Có sÐt cùc tÝnh dơng Độ dốc Cú (minimum 2kA) Cú Cú sét cực tính dơng Năng lợng Cú đầu tiªn (minimum 2kA) Có tiÕp theo Có sÐt cùc tÝnh dơng Charge totale Phóng điện cực tính dơng Phóng điện cực tính âm Thời gian Phóng điện cực tính dơng Phóng điện cực tính âm 1.3.6 Xác suất 50% 5% kA 4.6 4.6 33 12 35 85 30 250 kA/μs 9.1 10 0.2 24 40 2,4 65 125 32 A2s 6,0.103 5,5 102 2,5.104 5,5 104 6,0 103 6,5 105 5,5 105 5,2 104 1,5 107 C 1,3 20 7,5 80 40 350 ms 0,15 14 13 85 1100 500 Vân tốc phát triển Vận tốc trung bình kênh sét độ cao km từ mặt đất cho thấy vận tốc kênh sét có trị số 9,6.107 m/s với kênh phóng điện ngợc 1,2.108 m/s với kênh phóng điện 1.3.8 Nhiệt độ kênh sét Sau khoảng 50s, nhiệt độ kênh sét không lớn 10000 K Lấy tích phân cho 50 s, nhiệt độ trung bình kênh sét vào khoảng 20000K Nhiệt độ kênh sét đạt giá trị cực đại từ 20000 đến 35000 K khoảng từ đến 10 s 1.3.9 Kích thớc kênh sét Đờng kính kênh sét đợc định nghĩa số cách khác : đờng kính kênh đợc xác định theo ánh sáng phát dựa sở đo lờng quang học kênh sÐt ®ång nghÜa víi ®−êng kÝnh cđa tia lưa, nghÜa xác định dòng điện qua Bảng 1.9 Đờng kính kênh sét Thực nghiệm, cm Phơng pháp Schonlan (1937) Schonlan (1950) Kỹ thuật điện áp cao 15-32