Mô hình hóa quá trinh thu sét của thiết bị thu lôi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LÊ HẢI ĐĂNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ HẢI ĐĂNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH THU SÉT CỦA THIẾT BỊ THU LÔI BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN 2007-2009 HÀ NỘI - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ HẢI ĐĂNG MÔ HÌNH HỐ Q TRÌNH THU SÉT CỦA THIẾT BỊ THU LÔI BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP Chuyên ngành: HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN ĐÌNH QUANG HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố Tác giả luận văn Lê Hải Đăng -1- MỤC LỤC  MỤC LỤC - MỞ ĐẦU -4- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT - DANH MỤC CÁC BẢNG - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ - Chương 1: TÍNH CHẤT CỦA PHĨNG ĐIỆN KHOẢNG CÁCH LỚN TRONG KHƠNG KHÍ - 11 1.1 Tổng quan tượng phóng điện khoảng cách lớn khơng khí - 11 1.2 Một streamer phát triển dài - 16 1.2.1 Phần đầu streamer - 16 1.2.2 Xác định tham số streamer - 18 1.2.3 Dòng điện trường đằng sau phần đầu streamer - 19 1.2.4 Nhiệt lượng tỏa kênh streamer - 20 1.2.5 Phản ứng electron – phân tử suy giảm plasma - 20 1.2.6 Chiều dài streamer - 21 1.2.7 Streamer trường đồng vắng mặt điện cực - 24 1.3 Nguyên lý trình phát triển tia tiên đạo - 28 1.3.1 Sự cần thiết tăng nhiệt độ khơng khí - 28 1.3.2 Tốc độ phát triển tia tiên đạo - 30 1.4 Tia tiên đạo phát triển dài - 31 1.5 Điện áp đảm bảo cho phóng điện khoảng cách lớn - 32 1.6 Tia tiên đạo âm - 33 1.7 Kết luận - 37 Chương 2: HIỆN TƯỢNG PHĨNG ĐIỆN SÉT TRONG KHÍ QUYỂN - 38 2.1 Tổng quan tượng phóng điện sét - 38 2.2 Cấu trúc đám mây dông - 40 - -2- 2.3 Phóng điện sét âm từ đám mây dông xuống mặt đất - 44 2.4 Q trình phóng điện ngược - 49 2.4.1 Dịng phóng điện ngược - 49 2.4.2 Dạng sóng phóng điện ngược - 53 2.4.3 Điện trường từ trường tạo phóng điện ngược - 54 2.4.4 Điện tích lượng tia sét - 56 2.4.5 Nhiệt độ kênh dẫn sét - 57 2.5 Nghiên cứu sét Việt Nam - 57 2.5.1 Phân bố dông lãnh thổ Việt Nam - 60 2.5.2 Bản đồ phân vùng mật độ sét Việt Nam - 62 2.6 Kết luận - 65 Chương 3: MỘT SỐ MƠ HÌNH TÍNH TỐN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP - 67 3.1 Phương pháp tính tốn chống sét cổ điển - 67 3.1.1 Phạm vi bảo vệ cột thu lôi - 67 3.1.2 Phạm vi bảo vệ hai cột thu lôi - 70 3.1.3 Phạm vi bảo vệ nhiều cột thu lôi - 73 3.2 Phương pháp mơ hình điện hình học - 75 3.2.1 Nội dung lý thuyết mơ hình điện hình học - 75 3.2.2 Nghiên cứu hiệu bảo vệ cột thu lôi Franklin phương pháp mơ hình điện hình học - 77 3.3 Kết luận - 82 Chương 4: MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP - 86 4.1 Mô tả lý thuyết mơ hình - 86 4.2 Mơ hình tia tiên đạo từ đám mây dông - 89 4.2.1 Điện tích tia tiên đạo - 89 4.2.2 Tốc độ phát triển tia tiên đạo - 91 4.2.3 Tính tốn điện trường điện gây điện tích tia tiên đạo - 92 - -3- 4.3 Mơ hình tia tiên đạo từ kim thu sét - 96 4.3.1 Điện tích vận tốc tia tiên đạo từ kim thu sét - 96 4.3.2 Điều kiện hình thành tia tiên đạo từ mặt đất - 98 4.4 Lựa chọn hướng phát triển tia tiên đạo - 104 4.5 Điều kiện để tia tiên đạo gặp nhau: - 104 4.6 Kết luận - 105 Chương 5: ĐÁNH GIÁ VÙNG BẢO VỆ CỦA CỘT THU LÔI BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP - 106 5.1 Cơng cụ để tính tốn phạm vi bảo vệ cột thu lơi theo mơ hình nghiên cứu - 106 5.2 Kết tính tốn phạm vi bảo vệ cột thu lơi theo mơ hình nghiên cứu - 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 118 - -4- MỞ ĐẦU Dông sét tượng thiên nhiên thường gặp, đặc biệt nước nằm tâm dông châu Á Việt Nam Thiệt hại sét đánh vào cơng trình vơ to lớn Hiện nay, việc tính tốn bảo vệ chống sét đánh trực tiếp dựa việc xác định phạm vi bảo vệ cột thu lôi theo phương pháp cổ điển Liên Xơ (cũ) phương pháp mơ hình điện hình học Các phương pháp tính tốn sở cơng thức mang tính thực nghiệm, cơng thức xây dựng thơng qua nghiên cứu mơ hình phóng điện khoảng cách lớn khơng khí phịng thí nghiệm cao áp, đặc biệt q trình tính tốn chưa đề cập cách đầy đủ đặc tính vật lý trình phóng điện sét khí Thực tế cho thấy phương pháp cũ không thật tin cậy, năm gần nhiều quan sát cho thấy xảy cố sét cơng trình chống sét đầy đủ theo qui phạm, cơng trình tồ nhà cao tầng, cột cao, cơng trình điện Ngồi ra, thiết bị thu lôi phát xạ sớm ngày ứng dụng cách rộng rãi hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp Tuy nhiên, với hạn chế nó, phương pháp cổ điển đánh giá cách tin cậy hiệu thiết bị thu lôi phát xạ sớm Do vậy, để có cách đánh giá đầy đủ phạm vi bảo vệ hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp, luận văn đưa cách tiếp cận cách xây dựng mô hình trình thu sét thiết bị thu lơi có tính đến đặc tính vật lý q trình phóng điện sét khí Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn – TS Nguyễn Đình Quang nhiệt tình bảo đóng góp ý kiến q báu cho tơi q trình nghiên cứu đề tài Do kinh nghiệm hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận nhận xét góp ý thầy giáo, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện -5- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT MHĐHH : Mơ hình điện hình học -6- DANH MỤC CÁC BẢNG Ký hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Thông số tia tiên đạo nhận từ thực nghiệm 32 Bảng 1.2 Thơng số phóng điện khoảng cách lớn 33 Tham số tia sét điện tích âm từ đám mây dơng xuống đất 52 Bảng 2.2: Bảng so sánh số ngày dông số lần phóng Bảng 2.2 điện sét 100km2 mặt đất số khu vực giới 63 Bảng 2.3 Trị số dự kiến mật độ sét theo khu vực 64 Bảng 3.1 76 Bảng 2.1 Hệ số Krs n   -7- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Ký hiệu Tên hình vẽ biểu đồ Trang Hình 1.1 Hình ảnh streamer hướng cathode 13 Hình 1.2 Hình ảnh tia tiên đạo dương 16 Hình 1.3 Hình ảnh phần đầu streamer hướng cathode phân bố định tính mật độ electron ne mật độ điện tích khơng gian n+ - ne điện trường phân bố dài dọc theo trục 16 Hình 1.4 Tần số ion hóa phân tử chất khí va chạm electron điều kiện bình thường 19 Hình 1.5 Phân bố điện U, điện trường E, dòng điện I mật độ electron tự thời điểm khác streamer dừng phát triển 23 Hình 1.6 Phân bố dọc theo vật dẫn điện trường đồng 25 Hình 1.7 Sự kích thích streamer đầu vật dẫn điện trường đồng 26 Hình 1.8 Streamer phát E0=7,7kV/cm triển điện trường đồng 27 Hình 1.9 Streamer phát E0=10kV/cm triển điện trường đồng Hình 1.10 Hình ảnh phần đầu tia tiên đạo 30 Hình 1.11 Streamer âm từ cathode hình cầu bán kính 50cm xung điện áp âm 1,8MV thời gian xung 50µs 34 Hình 1.12 Hình ảnh tia tiên đạo âm phát triển phòng thí nghiệm 35 Hình 1.13 Hình ảnh tia tiên đạo âm giai đoạn hình thành 36 Hình 1.14 Streamer hướng anode (1) streamer hướng cathode (2); (3) phóng điện hình thành hồ quang âm; (4) tia tiên đạo âm hình thành 36 28 - 121 - ABSTRACT A model of lightning channel progression towards the earth is given based on the up to date knowledge on physics of discharge on long air gap The physical assessment of the simualation method which is adopted to describe involved in the progression of the negative downward channels towards the earth and in the inception and propagation of upward positive channels from earthed structures Further more, it is possible to expand this model for cases of more than one rod and for other kind of complex earthed structures Keywords: high voltage, lightning protection, leader propagation, downward negative leader, upward positive leader - 122 - PHỤ LỤC 4/2/10 7:55 AM C:\MATLAB7\work\ctc1.m of %Chuong trinh %Quy uoc goi tia tien dao xuat phat tu dam may dong la tia tien dao %Quy uoc goi tia tien dao xuat phat tu mui nhon cua cot thu loi la tia tien %dao %Phan nhap so lieu de phuc vu tinh toan Nhapsolieu %k la chi so chay vong lap k=1; %Bat dau qua trinh tinh toan while (E0buoc_nhay1) dientruongdaukim end %Bat dau qua trinh tinh toan co tia tien dao tu duoi len l=1; kc1=buoc_nhay1; kcmin=sqrt((buoc_nhay1/2)^2+buoc_nhay2^2); kcstreamer=sqrt(abs(Toado1(k+1,1)-Toado2(l+1,1))^2+abs(Toado1(k+1,2)Toado2(l+1,2))^2); while (kcstreamer>(buoc_nhay1+buoc_nhay2))&(Toado1(k+1,2)>buoc_nhay1)& (kc1>buoc_nhay2) quydao l=l+1; k=k+1; kcstreamer=sqrt(abs(Toado1(k+1,1)-Toado2(l+1,1))^2+abs(Toado1(k+1,2)Toado2(l+1,2))^2); for i=1:1:k if Toado1(i+1,2)Toado2(l+1,2) x1=Toado1(i,1); x2=Toado1(i+1,1); y1=Toado1(i,2); y2=Toado1(i+1,2); A=y2-y1; B=-(x2-x1); C=(x2-x1)*y1-(y2-y1)*x1; kc1=abs(A*Toado2(l+1,1)+B*Toado2(l+1,2)+C)/sqrt(A^2+B^2); end end end Vequydao 4/2/10 7:56 AM C:\MATLAB7\work\ctc2.m of %Chuong trinh %Quy uoc goi tia tien dao xuat phat tu dam may dong la tia tien dao %Quy uoc goi tia tien dao xuat phat tu mui nhon cua cot thu loi la tia tien %dao %Phan nhap so lieu de phuc vu tinh toan Nhapsolieu %k la chi so chay vong lap k=1; %Bat dau qua trinh tinh toan while (E0buoc_nhay1) dientruongdaukim end %Bat dau qua trinh tinh toan co tia tien dao tu duoi len l=1; kc1=buoc_nhay1; kcmin=sqrt((buoc_nhay1/2)^2+buoc_nhay2^2); kcstreamer=sqrt(abs(Toado1(k+1,1)-Toado2(l+1,1))^2+abs(Toado1(k+1,2)Toado2(l+1,2))^2); while (kcstreamer>(buoc_nhay1+buoc_nhay2))&(Toado1(k+1,2)>buoc_nhay1)& (kc1>buoc_nhay2) quydao l=l+1; k=k+1; kcstreamer=sqrt(abs(Toado1(k+1,1)-Toado2(l+1,1))^2+abs(Toado1(k+1,2)Toado2(l+1,2))^2); for i=1:1:k if Toado1(i+1,2)Toado2(l+1,2) x1=Toado1(i,1); x2=Toado1(i+1,1); y1=Toado1(i,2); y2=Toado1(i+1,2); A=y2-y1; B=-(x2-x1); C=(x2-x1)*y1-(y2-y1)*x1; kc1=abs(A*Toado2(l+1,1)+B*Toado2(l+1,2)+C)/sqrt(A^2+B^2); end end end Vequydao 4/2/10 7:56 AM C:\MATLAB7\work\ctc3.m of %Chuong trinh %Quy uoc goi tia tien dao xuat phat tu dam may dong la tia tien dao %Quy uoc goi tia tien dao xuat phat tu mui nhon cua cot thu loi la tia tien %dao %Phan nhap so lieu de phuc vu tinh toan Nhapsolieu %k la chi so chay vong lap k=1; %Bat dau qua trinh tinh toan while (E0buoc_nhay1) dientruongdaukim end %Bat dau qua trinh tinh toan co tia tien dao tu duoi len l=1; kc1=buoc_nhay1; kcmin=sqrt((buoc_nhay1/2)^2+buoc_nhay2^2); kcstreamer=sqrt(abs(Toado1(k+1,1)-Toado2(l+1,1))^2+abs(Toado1(k+1,2)Toado2(l+1,2))^2); while (kcstreamer>(buoc_nhay1+buoc_nhay2))&(Toado1(k+1,2)>buoc_nhay1)& (kc1>buoc_nhay2) quydao l=l+1; k=k+1; kcstreamer=sqrt(abs(Toado1(k+1,1)-Toado2(l+1,1))^2+abs(Toado1(k+1,2)Toado2(l+1,2))^2); for i=1:1:k if Toado1(i+1,2)Toado2(l+1,2) x1=Toado1(i,1); x2=Toado1(i+1,1); y1=Toado1(i,2); y2=Toado1(i+1,2); A=y2-y1; B=-(x2-x1); C=(x2-x1)*y1-(y2-y1)*x1; kc1=abs(A*Toado2(l+1,1)+B*Toado2(l+1,2)+C)/sqrt(A^2+B^2); end end end Vequydao 4/2/10 8:10 AM C:\MATLAB7\work\quydao.m of %Tinh toan quy dao gocchay_nuadtron1=0; Dienthe_nuadtron1=[0]; Toadochay_nuadtron1=[0 0]; gocchay_nuadtron2=0; Dienthe_nuadtron2=[0]; Toadochay_nuadtron2=[0 0]; %Tinh toan the tai cac diem tren nua duong tron cua tia tien dao xuong for i=1:1:n+1 %Vsegment11 la dien the cua diem chay tren nua duong %tron dau tia tien dao xuong gay boi cac segment cua ban than %tia tien dao xuong Vsegment11=0; %Vsegment21 la dien the cua diem chay tren nua duong %tron dau tia tien dao xuong gay boi cac segment cua %tia tien dao len Vsegment21=0; %tinh toa cac diem chay tren nua duong tron dau tia tien dao %xuong anpha1=pi+gocchay_nuadtron1; xP_xuong=buoc_nhay1*cos(anpha1)*cos(teta1)+(buoc_nhay1*sin (anpha1))*sin(teta1)+Toado1(k+1,1); yP_xuong=-buoc_nhay1*cos(anpha1)*sin(teta1)+(buoc_nhay1*sin (anpha1))*cos(teta1)+Toado1(k+1,2); %Tinh dien the tai diem chay tren nua duong tron dau tia tien dao %xuong anh huong cua ban than cac segment cua tia tien dao xuong for j=k:(-1):1 r1_11=sqrt((xP_xuong-Toado1(j,1))^2+(yP_xuong-Toado1(j,2)) ^2); r2_11=sqrt((xP_xuong-Toado1(j+1,1))^2+(yP_xuong-Toado1(j+1, 2))^2); a_11=(r1_11+r2_11)/2; r1_phay_11=sqrt((xP_xuong-Toadophay1(j,1))^2+(yP_xuongToadophay1(j,2))^2); r2_phay_11=sqrt((xP_xuong-Toadophay1(j+1,1))^2+(yP_xuongToadophay1(j+1,2))^2); a_phay_11=(r1_phay_11+r2_phay_11)/2; Vsegment=lamda1/(4*pi*epsilon)*log((a_11+c1)/(a_11-c1)* (a_phay_11-c1)/(a_phay_11+c1)); Vsegment11=Vsegment11+Vsegment; end %Tinh dien the cua diem chay tren nua duong tron dau tia tien dao %gay boi dien tich tap trung o dau tia tien dao xuong r2_11=sqrt((xP_xuong-Toado1(k+1,1))^2+(yP_xuong-Toado1(k+1,2)) ^2); r2_phay_11=sqrt((xP_xuong-Toadophay1(k+1,1))^2+(yP_xuong- 4/2/10 8:10 AM C:\MATLAB7\work\quydao.m of Toadophay1(k+1,2))^2); Vq_11=q_xuong/(4*pi*epsilon)*(1/r2_11-1/r2_phay_11); VP_11=Vsegment11+Vq_11; %Tinh dien the tai diem chay tren nua duong tron dau tia tien dao %xuong anh huong cua segment cua tia tien dao tu duoi len for j=l:(-1):1 r1_21=sqrt((xP_xuong-Toado2(j+1,1))^2+(yP_xuong-Toado2(j+1, 2))^2); r2_21=sqrt((xP_xuong-Toado2(j,1))^2+(yP_xuong-Toado2(j,2)) ^2); a_21=(r1_21+r2_21)/2; r1_phay_21=sqrt((xP_xuong-Toadophay2(j+1,1))^2+(yP_xuongToadophay2(j+1,2))^2); r2_phay_21=sqrt((xP_xuong-Toadophay2(j,1))^2+(yP_xuongToadophay2(j,2))^2); a_phay_21=(r1_phay_21+r2_phay_21)/2; Vsegment=lamda2/(4*pi*epsilon)*log((a_21+c2)/(a_21-c2)* (a_phay_21-c2)/(a_phay_21+c2)); Vsegment21=Vsegment21+Vsegment; end %Tinh dien the tai diem chay tren nua duong tron %dau tia tien dao xuong anh huong cua dien tich %tap trung o dau tia tien dao len r2_21=sqrt((xP_xuong-Toado2(l+1,1))^2+(yP_xuong-Toado2(l+1,2)) ^2); r2_phay_21=sqrt((xP_xuong-Toadophay2(l+1,1))^2+(yP_xuongToadophay2(l+1,2))^2); Vq_21=q_len/(4*pi*epsilon)*(1/r2_21-1/r2_phay_21); VP_21=Vsegment21+Vq_21; VP=VP_11+VP_21; Dienthe_nuadtron1=[Dienthe_nuadtron1;VP]; Toadochay_nuadtron1=[Toadochay_nuadtron1;xP_xuong yP_xuong]; gocchay_nuadtron1=gocchay_nuadtron1+pi/n; end %Tim diem co the thap nhat tren nua duong tron dau tia tien dao xuong Vmin_xuong=Dienthe_nuadtron1(2,1); Toa_do_min_xuong=[Toadochay_nuadtron1(2,1) Toadochay_nuadtron1(2,2)]; Toa_do_min_phay_xuong=[Toadochay_nuadtron1(2,1) -Toadochay_nuadtron1 (2,2)]; for i=3:1:n+2 if (Vmin_xuong0) if Vmin_xuong>Dienthe_nuadtron1(i,1) Vmin_xuong=Vmin_xuong; Toa_do_min_xuong=Toa_do_min_xuong; Toa_do_min_phay_xuong=Toa_do_min_phay_xuong; elseif Vmin_xuongToado1(k+2,1)&Toado1(k+1,2)==Toado1(k+2,2) teta1=pi/2; elseif Toado1(k+1,1)>Toado1(k+2,1)&Toado1(k+1,2)Toado1(k+2,1)&Toado1(k+1,2)>Toado1(k+2,2) teta1=pi/2-atan(hesogoc1); elseif Toado1(k+1,1)Dienthe_nuadtron2(i,1) Vmin_len=Dienthe_nuadtron2(i,1); Toa_do_min_len=[Toadochay_nuadtron2(i,1) Toadochay_nuadtron2(i,2)]; Toa_do_min_phay_len=[Toadochay_nuadtron2(i,1) Toadochay_nuadtron2(i,2)]; elseif Vmin_len0)&(Dienthe_nuadtron2(i,1)Toado2(l+2,2) teta2=pi/2-atan(hesogoc2); elseif Toado2(l+1,1)