IV. Cách xác định vùng bảo vệ
2. 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 dịng sét cĩ 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 được trên cơ sở của độ dài khoảng cách phĩng điện, gọi là phương pháp “ quả cầu lăn” và phương pháp này đã được đưa vào tiêu chuẩn của Úc AS 1768– 1991.
Người ta giả thiết mũi tiên đạo sét ở tâm một quả cầu cĩ bán kính bằng độ dài của khoảng cách phĩng điện. Như vậy, sẽ cĩ những điểm trên bề mặt quả cầu chạm với mặt đất hoặc các bộ phận trên các mặt đất, những điểm chạm đĩ cĩ thể là những điểm sét đánh, cũng cĩ các vùng bề mặt quả cầu khơng thể chạm đến được (minh họa trên hình 2.13).
Hình 2.13: Mơ tả vùng bảo vệ theo phương pháp quả cầu lăn.
Quả cầu này cĩ bán kính khoảng 45m ứng với mức bảo vệ trung bình (đối với dịng sét khoảng 10kA) . Đối với các cơng trình quan trọng (dể cháy, nổ), người ta thiết kế quả cầu cĩ bán kính 20m (ứng với mức bảo vệ cao hơn).
Vùng bề mặt quả cầu khơng chạm tới được cĩ thể ngăn cản sét gọi là vùng bảo vệ. Khoảng cách phĩng điện Ds phụ thuộc vào biên độ dịng sét cĩ thể xác định bằng cơng thức :
Ds = 10. I 2/3 m. Với I( kA ): là biên độ dịng sét phụ thuộc vào mức bảo vệ. 3. Phạm vi bảo vệ của dây chống sét .
Phương pháp xác định phạm vi bảo vệ của dây chống sét cũng tương tự như đối với cột thu sét.Điện cực (1) (ở độ cao định hướng ) và vật cần bảo vệ(4) di chuyển trong mặt phẳng thẳng gĩc với dây chống sét (2). Kết quả thực nghiệm cho thấy khu vực cĩ xác suất 100% sét đánh vào dây chống sét về mỗi bên của dây chống sét cĩ chiều rộng bằng B = 2h và ngay trên mặt đất về mỗi bên của dây chống sét nĩ bảo vệ được một dải cĩ chiều rộng b = 0,2h với h là độ treo cao dây chống sét. ( B tương ứng với R trong trường hợp cột thu sét, b tương ứng với r ).
0,2h
a) Phạm vi bảo vệ của một dây chống sét .
Cách vẽ giới hạn bảo vệ của một dây chống sét trình bày trong (hình 2.14). Nếu vật cần bảo vệ cĩ độ cao hx thì phạm vi bảo vệ với độ tin cậy 99% được xác định theo cơng thức:
- Khi hx > 3 2 h, bx = 0,6h (1- h hx ).p hay hx = 0,6 (h – hx),(m) - Khi 0 hx 3 2 h, bx =1,2h(1- h hx 8 , 0 )p hay hx = 1,5(0,8h – hx),(m)
* Với dây chống sét cĩ độ treo cao 30m < h < 250m. Phạm vi bảo vệ theo chiều cao (mặt cắt đứng) giảm một khoảng h tính từ đỉnh . Với h tính theo:
- 30m <h < 100m h = 0,29(h-30) - 100m < h < 250m h =0,2h
b) Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét .
Khi hai dây chống sét đặt cách nhau S 2B = 4h thì mọi điểm trên mặt đất nằm giữa hai dây chống sét sẽ được bảo vệ an tồn.
Hình 2.15 : Phạm vi bảo vệ của 2 DCS Hình 2.14:Phạm vi bảo vệ của 1 dây chống sét
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD:Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 23
Nếu S 4h thì giữa hai dây chống sét cĩ thể bảo vệ được một độ cao: h0 = h –S/4p
Khi dây dẫn ba pha của đường dây tải điện bố trí ngang thì điều kiện để dây giữa với độ cao hDD được bảo vệ là khoảng cách S giữa hai dây chống sét phải thoả điều kiện S < 4p(hDCS
– hDD )
Giới hạn phạm vi bảo vệ (mặt cắt đứng) ở phía ngồi hai dây chống sét cũng giống như đối với từng dây chống sét riêng lẻ, cịn khu vực bảo vệ giữa hai dây chống sét được giới hạn bởi cung trịn vẽ qua hai điểm treo dây chống sét và điểm ở giữa cĩ độ cao h0. (hình 2.15).
4. Cách xác định phạm vi bảo vệ của dây chống sét trong thực tế .
Trong thực tế, dây chống sét thường được dùng nhất để bảo vệ các dây dẫn của đường dây tải điện. Độ treo cao trung bình của dây dẫn thường lớn hơn 2/3 h0. Do đĩ, trong trường hợp này việc vẽ tồn bộ phạm vi bảo vệ của dây chống sét là khơng cần thiết và thơng thường chỉ cần xác định gần đúng gĩc bảo vệ α là đủ.
Hình 2-16:Cách xác định gĩc α trong thực tế.
α là gĩc tạo thành giữa mặt phẳng đi qua đường thẳng nối liên các điểm treo dây chống sét (hay dây dẫn) (mặt phẳng này vuơng gĩc với mặt đất) và mặt phẳng đi qua dây dẫn và dây chống sét. α càng bé thì xác suất sét đánh vào dây dẫn càng bé:
lgvx = 4 90 . hc
Với hc : Chiều cao của cột điện
Ở trường hợp giới hạn hDD = 2/3 hDCS thì dây chống sét cĩ thể được bảo vệ được một gĩc α = α gh = 310 (tg α gh = 0,6).
Song trong thực tế để tăng mức an tồn, tức là giảm xác suất sét đánh vịng qua dây chống sét, người ta thường chọn α =20 250 cho các đường dây tải điện quan trọng.
Đường dây cĩ chiều dài lớn , ở các cấp siêu cao áp cĩ thể đến hàng ngàn km, một mùa sét cĩ thể chịu đến hàng trăm lần sét đánh, việc tăng mức an tồn (chọn gĩc α bé) của đường dây sẽ làm giảm xác suất sét đánh vào dây dẫn một cách đáng kể.
CHƯƠNG II
HỆ THỐNG CHỐNG SÉT TRỰC TIẾP SYSTEM 3000 (GLT) I. GIỚI THIỆU .
ERICO là tập đồn đứng đầu thế giới về cung cấp giải pháp chống sét tồn diện và tiếp đất, các thiết bị chống sét tiên tiến… Các sản phẩm của ERICO được thiết kế và đặt hàng theo cơng nghệ hiện đại, đáp ứng các yêu cầu của vùng nhiệt đới, nơi mà hoạt động của dơng sét rất cao, trong đĩ cĩ nước ta.
Từ những nghiên cứu về các điểm nổi bậc của phương pháp chống sét hiện đại. Tập đồn ERICO đã sản xuất chế tạo những thiết bị, vật liệu và cơng nghệ mới về hệ thống chống sét hiện đại cĩ chất lượng tốt. Đặc biệt là giải pháp chống sét tồn diện 6 điểm “ SIX POINT PLAN “, được áp dụng trên khắp thế giới và kết quả đem lại rất khả quan và đáng tin cậy. Giải pháp này bao gồm: chống sét trực tiếp ( SYSTEM-3000 ), chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn và chống sét lan truyền trên đường tín hiệu.
Hình 2-1:Mơ hình chống sét tồn diện 6 điểm
GLT ( Global Lightning Technologies Pty.Ltd. ) là cơng ty chuyên chế tạo các thiết bị chống sét hàng đầu của Úc GLT thành lập vào năm 1978, tiền thân là viện chống sét (LPI), thành lập 1955.
II. HỆ THỐNG CHỐNG SÉT SYSTEM 3000 . Giới thiệu .
Sự ra đời của hệ thống chống sét S3000 là một tiến bộ trong việc phịng chống sét. Hệ thống được thiết kế để thu sét từ một thể tích vùng thu được quyết định trước và dẫn dịng sét xuống đất một cách an tồn.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 46
Hệ thống chống sét gồm các bộ phận sau:
- Đầu thu Dynasphere: là điểm đầu tiên để bắt sét đánh vào cấu trúc mà nĩ bảo vệ. Dynasphere hồn tồn cách điện khỏi kiến trúc và được nối với dây thu sét Ericore, để cung cấp một hệ thống cách điện tồn diện.
- Thanh chống ( kết cấu đỡ ): dùng để gắn đầu Dynasphere và cách điện giữa Dynaphere khỏi cấu trúc.
- Dây dẫn xuống ( ERICORE ): tải điện xuống đất khơng làm điện hĩa cấu trúc cần bảo vệ,việc này đảm bảo an tồn cho người và thiết bị. Dây dẫn loại bỏ rủi ro phĩng điện biên vì bộ phận truyền điện ở trung tâm được che chắn khỏi các vật khác.
- Thiết bị đếm sét: theo dõi số lần Dynasphere đã thu sét.
- Hệ thống nối đất: gồm các cọc đất, băng đồng và hĩa chất làm giảm điện trở đất. - Việc thiết kế các bộ phận đã được nghiên cứu theo dõi trong phịng thí nghiệm và thực tế ngồi tự nhiên.
1. Kim thu sét phĩng điện sớm Dynasphere .
Hình 2-2:Kim thu sét Dynasphere
a) Vật liệu kích thước đầu thu .
355mm Đầu tiếp đất
Hình 2.3: Các bộ phận đầu thu sét phĩng điện sớm Dynasphere.
Bầu thu Dynasphere
- Vật liệu của đầu Dynasphere khơng ăn mịn trong khơng khí bình thường. - Đầu tiếp đất cĩ tiết diện 300mm2 được làm bằng vật liệu khơng chứa sắt. - Quả cầu bên ngồi được làm bằng nhơm anod hĩa cĩ kích thước:
Dài (L) x Rộng(R) = 335mm x 280mm - Trọng lượng tồn bộ của Dynasphere trên 4 Kg. b) 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 ( tạo ion ) và hiện tượng quang ion hĩa ( giải phĩng ion) giữa bề mặt quả cầu và mũi nhọn của cọc tiếp đất nhằm chủ động phát ra tia phĩng điện sớm lên phía trên nhanh hơn bất kì một đỉnh nhọn nào gần đĩ.
- Đầu thu khơng gây phĩng xạ đến mơi trường xung quanh.
- Hình dạng bên ngồi của đầu thu nhằm giảm nhỏ sự hình thành vầng quang (corona) dưới trường tĩnh điện của cơn dơng.
- Đầu thu khơng cần nguồn cung cấp năng lượng bất kỳ bộ phận nào cho nĩ, đầu thu khơng chứa phần động.
- Đầu thu được làm bằng vật liệu khơng bị ăn mịn trong điều kiện khí quyển bình thường.
- Đầu thu được cách điện khỏi cấu trúc cần được 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 được lắp đặt nghiêm ngặt theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Dịng sét XX Mức bảo vệ YY Khả năng xuất hiện
3kA Rất cao 99%
6kA Cao 98%
10kA Trung bình 93%
15kA Chuẩn 85%
20kA Thấp 75%
Bảng 2.1 : Sự liên quan của dịng sét và mức bảo vệ
- 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 dịng điện XX1KA theo mức bảo vệ YY2. Thiết kế phải tính tốn đến sự phĩng một tia đi lên của điểm cạnh tranh ( mũi nhọn, gờ mái,…) từ cơng trình từ bảo vệ.
1Đặc trưng giá trị dịng điện sét. 2
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 48
c) Nguyên lý hoạt động ở đầu thu .
Hinh 2.4: Mơ tả nguyên lý hoạt động của Dynasphere.
- Ở dạng đơn giản Dynasphere gồm một thanh kim loại nhọn đầu được nối đất và một quả cầu kim loại bọc lấy thanh. Nối giữa quả cần và thanh nhọn là một trở kháng cao.
- Trong điện trường tương đối ổn định cịn gọi là điện trường tĩnh (thường xảy ra dưới một cơn dơng) thì Dynasphere là một thiết bị thụ động. Trong trường hợp tĩnh điện này quả cầu được nối đất qua trở kháng và cực tiểu hĩa Corona do dạng hình học của nĩ.
- Trong trường điện động, khi cĩ sự gia tăng nhanh chĩng và đột ngột của điện trường khí quyển, quá trình quá độ xảy ra, việc tiếp cận một tia phĩng 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 trở kháng cao. Một khe phĩng điện được hình thành do sự chênh lệch thế giữa quả cầu và thanh. Tác động này làm thiết bị giải phĩng năng lượng đã tích lũy dưới dạng ion, tạo ra một đường dẫn tiên đạo lên phía trên chủ động dẫn sét.
d) Nguyên lý xác định vùng bảo vệ .
- Xác định vùng bảo vệ của đầu thu Dynaphere dựa trên nguyên lý thể tích hấp thu. Vùng bảo vệ được xây dựng từ một bán cầu phĩng điện cĩ bán kính phụ thuộc vào cường độ sét và một Parabol giới hạn bán cầu đĩ. Tùy theo mức độ bảo vệ cơng trình, tương ứng với điện lượng hay cường độ dịng sét, mà ta xác định vùng bảo vệ khác nhau.
Cường độ sét (kA) Điện lượng (C) Mức bảo vệ Phần trăm bảo vệ
6 0,5 Cao 98%
10 1 Trung bình 93%
15 1,5 Tiêu chuẩn 85%
Bảng 2.2: Sự liên quan của dịng sét và điện lượng.
- Kim thu sét Dynaphere được đặt trên cơng trình sao cho vùng bảo vệ của nĩ phủ khắp vùng thu sét của các điểm cạnh tranh của cấu trúc cần 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 cơng trình, độ cao thanh đỡ và mức bảo vệ. Z Z
e).Ưu điểm của đầu thu .
Tính chủ động tạo đường dẫn sét :
- Tất cả các cấu trúc trên cơng trình đều cĩ khả năng tạo ra kênh dẫn về phía trên. Tuy nhiên, vần đề thời gian tạo ra chúng mới là quan trọng. Một đầu thu sét tạo tia tiên đạo cĩ thể tạo một đường dẫn sét về phía trên sớm hơn một khoảng thời gian T so với kim thu sét thơng thường. Đại lượng này được xác định trong phịng thí nghiệm cao áp và ngồi hiện trường giữa một đầu thu sét tạo tia tiên đạo và một kim thu sét thơng thường ở trong cùng một điều kiện.
Hình 2.4 : Mơ tả độ lợi L của kim phĩng điện sớm.
D: Khoảng cách phĩng điện phụ thuộc vào yêu cầu cần bảo vệ.
D SR T T T SR
T : Là thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của một kim thu thơng 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 thơng thường, đầu thu Dynasphere cĩ thể tạo ra đường dẫn tiên đạo sớm hơn một khoảng thời gian T và do đĩ tạo ra một độ lợi L:
L (m) = V (m/s). T(s) i). Chọn cấp bảo vệ .
Các dữ liệu được thu nhập từ các kết quả nghiên cứu trên tồn thế giới đưa ra kết quả giúp cho việc thiết kế chống sét đạt hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao.
Bảng 2-5:Quan hệ giữa mức bảo vệ với biên độ dịng sét và điện tích tiên đạo sét
Điện tích tiên đạo (Q) Dịng tiên đạo (I) Khả năng
xuất hiện Cấp bảo vệ
0,5C 6,5kA 98% Cao
0,9C 10kA 93% Trung bình
1,5C 16kA 85% Chuẩn
L D
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 50
Bảng 2.5 được dùng để xác định các mức bảo vệ, các cấp bảo vệ liên hệ trực tiếp với dịng phĩng 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 Comlombs.
- Một dịng sét cĩ biên độ 6,5 kA sẽ ứng với một điện tích tiên đạo xấp xỉ 0,5C.
Từ tính tốn và ngoại suy khác (bảng 2.2), được mối quan hệ mức bảo vệ với biên độ dịng sét điện tích tiên đạo như và trình bày trong bảng 2.6
* Tùy thuộc vào tầm quan trọng của cơng trình xây dựng để quyết định chọn mức bảo vệ thích hợp trong thiết kế chống sét.
Như vậy từ bảng 2.6 ta cĩ thể xác định mức bảo vệ theo các đặc tính thống kê về sét của cơng trình cần bảo vệ.
k). Bán kính bảo vệ .
- Vùng thu là vùng khơng gian trên đầu thu mà khi cĩ một tia sét đi vào vùng đĩ, sẽ được một tia phĩng lên đĩn lấy ( phương pháp thể tích hấp thu ).
- Vùng sét được xây dựng từ một bán cầu khoảng cách phĩng (bán cầu cĩ bán kính là khoảng cách phĩng lên một tiên đạo của đầu thu) và một Parabol giới hạn bán cầu đĩ.(hình 2-5)
Hình 2.5 cho thấy cách xác định 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 cơng trình,… ( Số liệu cho trong bảng 2.6).
Bán kính thu hút sét (m) theo mức bảo vệ Độ cao cơng trình (m) Độ cao của cột đỡ dynasphere(m) Độ cao
tổng(m) Rất cao 98% Cao 93% Chuẩn 85%
(1) (2) (3) (4) (5) (6) 5 5 10 35 47 60 10 5 15 45 60 77 15 5 20 48 66 84 20 5 25 55 75 97 25 5 30 60 83 107