Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Vùng bảo vệ của các đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm...

Tài liệu Vùng bảo vệ của các đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm

.PDF
121
278
141

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TRẦN HOÀNG VŨ VÙNG BẢO VỆ CỦA CÁC ĐẦU THU SÉT PHÁT TIA TIÊN ĐẠO SỚM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 0 4 3 3 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TRẦN HOÀNG VŨ VÙNG BẢO VỆ CỦA CÁC ĐẦU THU SÉT PHÁT TIA TIÊN ĐẠO SỚM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TRẦN HOÀNG VŨ VÙNG BẢO VỆ CỦA CÁC ĐẦU THU SÉT PHÁT TIA TIÊN ĐẠO SỚM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cánhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS.Hồ Văn Nhật Chương. Cácsố liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trongluận văn được thu thập được trong quá trình nghiên cứu là trung thực chưa từngđược ai công bố trước đây. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Tp. Hồ Chí Minh, ngày19 tháng 10năm 2014 Nguyễn Trần Hoàng Vũ HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ i Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương CẢM TẠ Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS.Hồ Văn Nhật Chương,người đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn. Với những lời chỉ dẫn, những tài liệu, sự tận tình hướng dẫn,truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ cùng với những lời động viên của Thầy đã giúp tôi vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn này. Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi cũng xin chân thành cám ơn xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tôi trong quá trình học cao học tại trường.Những kiến thức này rất hữu ích và giúp tôi nhiều khi thực hiện nghiên cứu. Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, cơ quan, đồng nghiệp và bạn bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn ! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Học viên thực hiện Nguyễn Trần Hoàng Vũ HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ ii Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương TÓM TẮT Do nằm ở vị trí địa lý đặc thù nên Việt Nam là một trong 3 tâm giông sét của thế giới, phải hứng chịu tần số sét cao hơn trung bình. Theo thống kê của Viện Vật lý địa cầu trung bình mỗi năm, Việt Nam có khoảng 2 triệu lần sét đánh xuống đất. Những khu vực thường xảy ra sét đánh là Hải Dương, Hà Tĩnh, đồng bằng sông Cửu Long.Sét gây ra các tai nạn cho con người, phá hoại các công trình xây dựng, năng lượng điện, hàng không, thiết bị điện tử, các đài, trạm quan sát tự động, các hệ thống thông tin liên lạc, trạm viễn thông,... Chính vì các tác hại do sét gây ra rất lớn nên đặt ra vấn đề phòng chống sét, mà nguyên lý cơ bản dựa vào đặc tính chọn lọc điểm đánh của sét. Hiện nay, các đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm đã được sử dụng phổ biến ở Việt Nam. So sánh về phạm vi bảo vệ và tính mỹ quan, loại đầu thu mới này có nhiều ưu điểm vuợt trội so với các loại thiết bị thu sét cổ điện như kim Franklin, dây thu sét. Tuy nhiên, cho đến hiện nay, các công trình nghiên cứu về lý thuyết và vận hành loại thiết bị mới này vẫn chưa được quan tâm đúng mức so với mức độ ứng dụng trong thực tế. Thậm chí, một số khái niệm khoa học như vùng bảo vệ, bán kính bảo vệ đáy, ... vẫn chưa được trình bày đúng trong chính một số catalogue của các nhà sản xuất.Trong thực tế nhiều kết quả thực nghiệm cho thấy sét có thế bỏ qua hệ thống thu sét mà đánh trực tiếp vào công trình mặc dù được thiết kế đúng với sự chỉ dẫn của nhà sản xuất đưa ra. Do yêu cầu của việc chống sét là toàn bộ công trình được bảo vệ cần phải nằm trong vùngbảo vệ của hệ thống thu sét, hệ thống này có thể nằm ngay trên kết cấu công trình hay đặt cách ly tùythuộc vào hoàn cảnh và điều kiện cụ thể. Vì vậy, đề tài “Vùng bảo vệ của các đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm” đưa ra phương pháp mới để tính toán vùng bảo vệ của hệ thống chống sét này một cách chính xác. Qua nghiên cứu trên, đề tài còn đưa ra phương pháp tính toán độ tin cậy cho các cột thu sét có trang bị đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm. HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ iii Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương ABSTRACT Because of specific geographic location, Vietnam is one of the world’s three centers of lightning, suffering higher lightning frequency than average. According to the statistics from the Institute of Geophysics, Viet Nam has about 2 million lightning strikes to the ground each year, the common areas are Hai Duong, Ha Tinh and Mekong Delta.Lightning causes accidents to human, destroying buildings, electric power, aviation, electronic devices, the radio, automatic observation stations, the communication system, telecommunication stations , ....Therefore, we should bring up the issue about anti-lightning, with the basic principle based on the characteristics of selecting places to strike of lightning. Currently, Early Streamer Emission lightning conductor have been commonly used in Viet Nam. In terms of protection scope and aesthetics, this new kind of receiver has many advantages than traditional devices as Franklin rod and lightning conductor. However, the studies of the theory and operation of this new equipment have not been received enough attention corresponding to its practical usefulness. Even some scientific concepts such as protected areas, bottom protection radius, ... have not been properly presented in some catalogs of the major manufacturers.In fact, many experimental results show that lightning can strike directly on works, although lightning rod is designed in accordance with the instructions given by manufacturer. Because the requirement of anti-lightning is the whole works must be located in protected area of lightning receiver which can be located on the building structure or placed in isolation depending on the context and specific conditions. Therefore, the topic “Protected area of Early Streamer Emission lightning conductor offers new methods to measure protected area of this anti-lightning device precisely. Through the study, the topic also made the calculation method for reliable lightning rod equipped with Early Streamer Emission lightning conductor. HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ iv Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân Lời cam đoan ................................................................................................................i Cảm tạ ........................................................................................................................ ii Tóm tắt ...................................................................................................................... iii Mục lục ........................................................................................................................ v Danh sách các hình.....................................................................................................ix Danh sách các bảng ....................................................................................................xi Chương 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1 1.1 Tổng quan.............................................................................................................. 1 1.1.1 Mở đầu ........................................................................................................... 1 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.................................................... 3 1.2 Tính cấp thiết của Đề tài ....................................................................................... 6 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn............................................................................... 6 1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ......................................................................... 7 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 7 1.6 Giải quyết vấn đề .................................................................................................. 8 1.7 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 8 1.8 Bố cục luận văn ..................................................................................................... 9 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 10 2.1 Tổng quan về sét ................................................................................................. 10 2.1.1 Sự hình thành mây dông và sét .................................................................... 10 2.1.2 Các giai đoạn phát triển của sét ................................................................... 11 2.1.2.1Giai đoạn phóng tia tiên đạo .................................................................. 12 2.1.2.2Giai đoạn hình thành khu vực ion hóa................................................... 12 2.1.2.3Giai đoạn phóng điện ngược ................................................................. 13 2.1.3Các thông số dòng điện sét ........................................................................... 15 HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ v Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương 2.1.3.1Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện ................................................. 16 2.1.3.2Độ dốc đầu sóng dòng điện sét và xác suất xuất hiện ........................... 17 2.1.3.3Cường độ hoạt động của sét .................................................................. 17 2.1.3.4Cực tính của sét ..................................................................................... 18 2.2 Tổng quan về các phương pháp chống sét trực tiếp hiện nay ............................. 18 2.2.1Chống sét trực tiếp theo phương pháp cổ điển ............................................. 18 2.2.1.1Cột thu sét Franklin ............................................................................... 18 2.2.1.2Đai và lưới thu sét ................................................................................. 19 2.2.1.3Dây thu sét ............................................................................................. 20 2.2.2Chống sét trực tiếp theo phương pháp phi cổ điển ....................................... 21 2.2.2.1Hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng đầu thu sét ESE ......................... 21 2.2.2.2Hệ thống chống sét trực tiếp bằng phương pháp chuyển dịch điện tích ... .......................................................................................................................... 21 2.3 Vùng bảo vệ của hệ thống chống sét ................................................................... 22 2.4 Tổng quan về đầu thu sét ESE ............................................................................ 24 2.4.1 Tổng quan .................................................................................................... 24 2.4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đầu thu sét ESE ................................. 26 2.4.2.1Điện cực thu........................................................................................... 26 2.4.2.2Thân đầu thu .......................................................................................... 27 2.4.2.3Bộ kích thích phát xạ ion ....................................................................... 27 2.5Cơ sở lý thuyết mô hình điện hình học ................................................................ 30 2.6Đa thức nội suy Lagrange .................................................................................... 32 Chương 3. GIẢI TÍCH HÓA GIÁ TRỊ THỰC NGHIỆM ĐỘ LỢI KHOẢNG CÁCH CỦA MỘT SỐ ĐẦU THU ESE THÔNG DỤNG TẠI VIỆT NAM ...... 35 3.1 Số liệu thực nghiệm của các loại đầu thu sét ESE thông dụng tại Việt Nam ..... 35 3.2 Ứng dụng đa thức nội suy Lagrangre giải tích độ lợi khoảng cách ΔL từ số liệu thực nghiệm ............................................................................................................... 35 3.2.1 Pulsar 60 ...................................................................................................... 36 3.2.2 Ellips 1.3 ...................................................................................................... 41 HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ vi Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương 3.2.3Pulsar 30 ....................................................................................................... 42 3.3Kết quả tính toán .................................................................................................. 42 Chương 4.VÙNG BẢO VỆ CỦA ĐẦU THU ESE ............................................... 46 4.1 Tổng quan về vùng bảo vệ của đầu thu ESE....................................................... 46 4.2 Bán kính bảo vệ đáy của đầu thu ESE ................................................................ 51 4.2.1 Trường hợp D=h .......................................................................................... 51 4.2.2 Trường hợp D ≠ h ........................................................................................ 52 4.2.2.1Khi D > h ............................................................................................... 52 4.2.2.2Khi D < h ............................................................................................... 52 4.2.3 Kết luận ........................................................................................................ 52 4.3 Bán kính bảo vệ rx ứng với độ cao hx của công trình .......................................... 53 4.3.1 Trường hợp D = h ........................................................................................ 53 4.3.2 Trường hợp D > h ........................................................................................ 55 4.3.3 Trường hợp D < h ........................................................................................ 57 4.3.3.1Khi h ≤ ΔL ............................................................................................. 58 4.3.3.2Khi h > ΔL ............................................................................................. 61 4.4 Tổng quát ............................................................................................................ 64 Chương 5.ĐỘ TIN CẬY CỦA VÙNG BẢO VỆ CỦA ĐẦU THU SÉT ESE .... 66 5.1 Các thông số ảnh hưởng đến vùng bảo vệ của cột thu sét sử dụng đầu thu sét ESE .............................................................................................................................. 66 5.1.1 Nhóm các thông số trực tiếp ........................................................................ 66 5.1.2 Nhóm các thông số gián tiếp ....................................................................... 67 5.1.2.1Cấu trúc công trình bảo vệ..................................................................... 67 5.1.2.2Thông số môi trường nơi công trình định vị ......................................... 67 5.1.2.3Khả năng hình thành điện tích cảm ứng của cấu trúc công trình và mặt đất xung quanh .......................................................................................................... 68 5.2 Xây dựng mô hình lý thuyết để tính toán độ tin cậy ........................................... 68 5.2.1 Vùng thể tích hấp thu của cột thu sét ESE .................................................. 68 HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ vii Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương 5.2.2 Mô hình hình học của các phân vùng trong không gian của cột thu sét ESE . .......................................................................................................................... 70 5.3Xác suất hình thành vùng nguy hiểm trong vùng bảo vệ của thiết bị ESE .......... 72 5.4Xác định xác suất sét đánh vào vùng nguy hiểm ................................................. 72 5.4.1 Khu vực có xác suất 100% sét đánh vào đỉnh kim thu sét .......................... 73 5.4.2 Xác định xác suất sét đánh vào một vùng cho trước ................................... 73 5.5Công thức xác định độ tin cậy cho vùng bảo vệ của đầu thu ESE ...................... 76 5.5.1 Trường hợp chưa xét đến công trình, chỉ xét ảnh hưởng của cột thu sét ESE .......................................................................................................................... 76 5.5.2 Trường hợp xét đến cả tổng thể công trình lẫn hệ thống bảo vệ chống sét ..... .......................................................................................................................... 77 Chương 6. PHẦN MỀM TÍNH TOÁN VÙNG BẢO VỆ CỦA ĐẦU THU ESE ... .......................................................................................................................... 78 6.1 Sơ đồ khối tính toán của phần mềm ............................................................... 78 6.2 Giao diện sử dụng ........................................................................................... 79 Chương 7. KẾT LUẬN ........................................................................................... 81 7.1 Kết luận ........................................................................................................... 81 7.2 Hạn chế và hướng phát triển ........................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 82 PHỤ LỤC .. .............................................................................................................. 86 HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ viii Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang Hình 1.1:Các dạng phóng điện của đám mây dông .................................................... 2 Hình 1.2:Đầu thu ESE ................................................................................................. 3 Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ theo tiêu chuẩn NFC 17 – 102 ..........................................3 Hình 1.4: Phạm vi bảo vệ theo tiêu chuẩn AS 1768 ...................................................5 Hình 2.1:Sự phân bố điện tích trong một đám mây dông ......................................... 11 Hình 2.2:Các giai đoạn phóng điện sét theo thời gian .............................................. 15 Hình 2.3:Dạng sóng dòng điện sét ............................................................................ 16 Hình 2.4:Hệ thống chống sét trực tiếp Franklin ........................................................ 19 Hình 2.5:Hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng đai và lưới thu sét ........................... 20 Hình 2.6:Hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng dây thu sét ...................................... 20 Hình 2.7:Hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng đầu thu ESE đặt trực tiếp trên công trình ........................................................................................................................... 21 Hình 2.8:Hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng phương pháp chuyển dịch điện tích ... .............................................................................................................................. 22 Hình 2.9:Minh họa các phân vùng chống sét tại trạm viễn thông ............................ 24 Hình 2.10:Nguyên lý hoạt động của đầu thu ESE .................................................... 25 Hình 2.11:Đầu thu Prevectron 2................................................................................ 28 Hình 2.12:Đầu thu Saint – Elmo ............................................................................... 29 Hình 2.13:Bán kính bảo vệ đáy Rp của kim thu sét cổ điển và đầu thu ESE ........... 29 Hình 2.14:Quá trình phóng điện đón sét ................................................................... 30 Hình 2.15:Minh họa phương pháp quả cầu lăn ......................................................... 32 Hình 4.1: Tập hợp các điểm phóng điện khi tiên đạo sét xuất hiện trên đó.............. 48 Hình 4.2: Vùng bảo vệ của cột thu sét có trang bị đầu thu ESE ............................... 49 Hình 4.3: Vùng bảo vệ trong trường hợp D = h ........................................................ 50 Hình 4.4: Vùng bảo vệ trong trường hợp D > h ........................................................ 50 Hình 4.5: Vùng bảo vệ trong trường hợp D < h ........................................................ 51 HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ ix Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương Hình 4.6: Xác định thông số bảo vệ cho trường hợp D = h ...................................... 54 Hình 4.7: Xác định thông số bảo vệ cho trường hợp D > h ...................................... 55 Hình 4.8: Xác định thông số bảo vệ cho trường hợp h ≤ ΔL .................................... 59 Hình 4.9: Giá trị tới hạn của khoảng cách phóng điện D .......................................... 61 Hình 4.10: Xác định thông số bảo vệ cho trường hợp D ≥ Dmin ............................... 62 Hình 4.11: Vùng bảo vệ khi D < Dmin ...................................................................... 63 Hình 4.12: Xác định thông số bảo vệ cho 3 trường hợp ........................................... 64 Hình 5.1: Vùng thể tích hấp thu của ESE trong trường hợp h < ∆L ......................... 69 Hình 5.2: Vùng thể tích hấp thu của ESE trong trường hợp h = ∆L ......................... 70 Hình 5.3: Vùng thể tích hấp thu của ESE trong trường hợp h > ∆L ......................... 70 Hình 5.4: Vùng phóng điện trong trường hợp h < Δ L ............................................. 71 Hình 5.5: Vùng phóng điện trong trường hợp h = Δ L ............................................. 71 Hình 5.6: Vùng phóng điện trong trường hợp h >Δ L .............................................. 72 Hình 5.7: Các khả năng phóng điện tương ứng với đầu thu ESE ............................. 73 Hình 5.8: Hình ảnh các phân vùng với xác suất phóng điện sét đã tuyến tính hóatương ứng ............................................................................................................ 74 Hình 5.9: Minh họa vùng nguy hiểm khi chưa xét đến công trình ........................... 75 Hình 5.10: Minh họa phân vùng phóng điện sét khi có xét đến công trình .............. 76 Hình 6.1: Sơ đồ khối tính toán .................................................................................. 78 Hình 6.2: Giao diện phần mềm khi chưa nhập các thông số đầu vào ....................... 80 Hình 6.3: Giao diện phần mềm khi nhập các thông số đầu vào và tính toán, xuất ra kết quả ....................................................................................................................... 80 HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ x Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 1.1 Mức bảo vệ chống sét và giá trị khoảng cách phóng điện D ....................... 4 Bảng 3.1Bảng số liệu h, ΔL khoảng nội suy 1 của đầu thu Pulsar 60 ...................... 36 Bảng 3.2Bảng số liệu D, phần tử hệ số của các hàm ΔL(h) khoảng nội suy 1 của đầu thu Pulsar 60 .............................................................................................................. 38 Bảng 3.3Bảng số liệu h, ΔL khoảng nội suy 2 của đầu thu Pulsar 60 ...................... 39 Bảng 3.4Bảng số liệu D, phần tử hệ số của các hàm ΔL(h) khoảng nội suy 2 của đầu thu Pulsar 60 .............................................................................................................. 40 Bảng 3.5 Bảng số liệu ΔL tính toán của đầu thu Pulsar 60 ....................................... 43 Bảng 3.6 Bảng số liệu Rp tính toán của đầu thu Pulsar 60 ....................................... 43 Bảng 3.7 Bảng số liệu ΔL tính toán của đầu thu Ellips 1.3 ...................................... 44 Bảng 3.8 Bảng số liệu Rp tính toán của đầu thu Ellips 1.3 ....................................... 44 Bảng 3.9 Bảng số liệu ΔL tính toán của đầu thu Pulsar 30 ....................................... 44 Bảng 3.10 Bảng số liệu Rp tính toán của đầu thu Pulsar 30 ..................................... 45 Bảng 1Bảng số liệu thực nghiệm của đầu thuPulsar 60 ............................................ 86 Bảng 2Bảng số liệu thực nghiệm của đầu thuEllips 1.4 ........................................... 86 Bảng 3Bảng số liệu thực nghiệm của đầu thuMax-Ion 60 ........................................ 86 Bảng 4Bảng số liệu thực nghiệm của đầu thuEllips 1.3 ........................................... 87 Bảng 5Bảng số liệu thực nghiệm của đầu thuSatelit 3 ............................................. 87 Bảng 6Bảng số liệu thực nghiệm của đầu thuSchirtec S-DAS ................................. 87 Bảng 7Bảng số liệu thực nghiệm của đầu thuPulsar 30 ............................................ 88 Bảng8Bảng số liệu thực nghiệm của đầu thuStormaster 30 ..................................... 88 Bảng 9Bảng số liệu thực nghiệm của đầu thuSaint Elme 9 ...................................... 88 HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ xi Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan 1.1.1 Mở đầu Như đã biết dông là hiện tượng khí tượng phức hợp thường kèm theo gió mạnh, mưa rào, sấm sét, thậm chí cả mưa đá và vòi rồng. Sự phóng điện trong cơn dông bao gồm sự phóng điện bên trong đám mây dông, giữa các đám mây với nhau và giữa các đám mây với mặt. Giữa 2.000 đến 5.000 trận bão thường xuyên hình thành trên trái đất thường đi cùng với hiện tượng sét, chúng tạo nên mối nguy hiểm nghiêm trọng cho cả con người và thiết bị. Sét đánh xuống mặt đất với tần suất 30 đến 100 cú mỗi giây. Mỗi năm trái đất bị đánh bởi khoảng 3 tỉ cú sét.Trên toàn thế giới mỗi năm sét gây ra nhiều vụ hỏa hoạn, hàng ngàn người bị sét đánh tử vong. Sét cũng ảnh hưởng tới hệ thống điện, các trạm biến áp, thiết bị điện, điện tử gia dụng. Các tòa cao ốc cũng là một trong những nơi thường bị sét đánh nhiều nhất. Chi phí khắc phục hậu quả do sét đánh thường rất cao. Mặt khácrất khó đánh giá hậu quả của sét gây ra đối với các hệ thống máy tính hoặc mạng thông tin liên lạc, các sự cố trong chu trình của PLC và trong hệ thống điều khiển. Hơn thế, những tổn thất gây ra do các dây chuyền sản xuất ngưng hoạt động có thể làm thiệt hại về tài chính tăng cao hơn cả chi phí về thiết bị bị phá hỏng do sét đánh. Ngày nay trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đời sống vật chất của con người ngày càng cao. Bên cạnh đó với chính sách mở cửa của nhà nước đã tạo điều kiện thúc đẩy sự phát triển ngày càng nhanh của các ngành như: điện lực, công nghệ thông tin, bưu chính viễn thông… đã làm hàng loạt các khu công nghiệp, khu chế xuất, nhà máy ra đời và phát triển. Ngoài ra, còn có các công trình có nguy cơ cháy nổ cao như các nhà máy sản xuất thuốc nổ, kho chứa nhiên liệu… tất cả đều cần sự bảo vệ cao nhất khỏi nguy cơ bị sét đánh.Tất cả những điều đó đồng nghĩa với thiệt hại do sét gây ra sẽ ngày càng tăng lên. HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ - 1– Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương Do Việt Nam nằm ở tâm dông châu Á - một trong 3 tâm dông của thế giới có cường độ dông sét hoạt động mạnh, nhất là trong những năm gần đây, trước sự biến đổi của khí hậu, dông sét ngày càng nhiều hơn. Thiệt hại do sét gây ra rất lớn và hầu như không thể dự báo trước và có thể nói rằng không có một thiết bị nào hoặc một phương pháp nào có khả năng làm biến đổi các hiện tượng thời tiết tự nhiên đến mức có thể tránh được hiện tượng sét đánh. Vì thế bảo vệ chống sét là một vấn đề đáng quan tâm và phải được giải quyết một cách thích đáng đối với các công trình cũng như trong cuộc sống hàng ngày. Hình 1.1:Các dạng phóng điện của đám mây dông Năm 1752, nhà khoa học người Mỹ Benjamin Franklinđã lợi dụng hiệu ứng mũi nhọn để chống sét đánh trực tiếp còn được gọi là kim Franklin. Kim Franklin là một thanh kim loại có đầu nhọn dài khoảng từ 2 đến 3m được lắp tại nơi cao nhất trong khu vực cần bảo vệ. Theo đà tiến bộ của khoa học kỹ thuật, người ta đã nghiên cứu chế tạo ra loại đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm (đầu thu ESE: Early Streamer Emission) thay cho loại kim thu sét cổ điển thụ động nêu trên để chủ động bắt sét không cho sét đánh vào công trình cần bảo vệ. Hiện nay, tại các nước tiên tiến trên thế giới người ta đã ứng dụng chống sét trực tiếp bằng việc sử dụng đầu thu ESEcho các cột thu sét và đã gặt hái được những thành công to lớn trong việc ngăn ngừa sét đánh trực tiếp vào các công trình quan trọng. HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ - 2– Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương Hình 1.2:Đầu thu ESE Với yêu cầu cơ bản nhất của việc chống sét trực tiếp là toàn bộ công trình được bảo vệ cần phải nằm trong vùng bảo vệ của hệ thống chống sét trực tiếp. Do đó vấn đề tính toán, xác định vùng bảo vệ của hệ thống chống sét trực tiếp mà cụ thể ở đây là cột thu sét sử dụngđầu thu ESElà vấn đề có nghĩa quyết định và cần được quan tâm đúng mức. 1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Do tính chất ngày càng phổ biến của các đầu thu ESE nên đã có nhiều công trình trong và ngoài nước nghiên cứu về loại đầu thu này. Tuy nhiên hiện nay các phương pháp tính toán, thiết kế các cột thu sét sử dụng đầu thu ESE hầu như tất cả đều tuân theo các giải pháp do các nhà sản xuất thiết bị đưa ra hoặc theo tiêu chuẩn NFC 17 – 102 do Pháp ban hànhhoặc tiêu chuẩn AS 1768 của Úc. Theo tiêu chuẩn NFC 17 - 102 của Pháp thì phạm vi bảo vệ của cột thu sét sử dụng đầu thu ESE được bao trùm bởi một vòng có trục là ESE và bán kính bảo vệ được xác định dựa trên độ cao h đang được xem xét. Hình 1.3:Phạm vi bảo vệ theo tiêu chuẩn NFC 17 - 102 HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ - 3– Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương Theo NFC 17 – 102 độ cao h là khoảng cách của đỉnh ESE so với mặt phẳng ngang đi qua đỉnh phần tử được bảo vệ.Bán kính Rp là bán kính bảo vệ của cột thu sét ESE ở độ cao đang được xem xét. Bán kính bảo vệ Rp của cột thu sét ESE được xác định như sau: Khi h< 5m tra bảng tìm được bán kính bảo vệ. Khi h 5 m 𝑅𝑝 = ℎ 2𝐷 − ℎ + ∆𝐿(2𝐷 + ∆𝐿) (m) (1.1) Trong đó : ΔL(m): độ lợi khoảng cách của đầu thu, phụ thuộc vào từng loại đầu thu. D(m): khoảng cách phóng điện là khoảng cách giữa đầu tia tiên đạo của sét và đầu tia tiên đạo đi lên của đầu thu sét ESE hay còn gọi bán kính quả cầu sét phụ thuộc vào biên độ dòng sét, thường được chia làm 4 mức bảo vệ, việc chọn mức bảo vệ được căn cứ vào yêu cầu bảo vệ của công trình chẳng hạn: kích thước công trình, môi trường xung quanh, loại công trình, loại vật liệu chứa trong, có hay không người làm việc thường xuyên, mật độ sét trong vùng xây dựng công trình... Giá trị của khoảng cách phóng điện D có thể được tra theo bảng 1.1. Bảng 1.1:Mức bảo vệ chống sét và giá trị khoảng cách phóng điện D Mức bảo vệ D(m) Mức I Mức II Mức III Mức IV 20 30 45 60 Giá trị dòng sét thấp nhất I (kA) 3 5 10 16 Khả năng bảo vệ 99% 97% 91% 84% Theo tiêu chuẩn AS 1768 của Úc ứng dụng lý thuyết vùng thể tích hấp thu để xác định vùng bảo vệ của đầu thu ESE. Độ lớn của vùng thể tích hấp thu phụ thuộc vào biên độ dòng sét và đã được hãng Eritechứng dụng để xác định vùng bảo vệ cho đầu thu Dynasphere của hãng. Vùng thể tích hấp thu là vùng không gian trên đầu thu sét mà khi tia tiên đạo từ mây giông xuất hiện trong vùng đó sẽ được đón bắt bởi đầu thu sét ESE. Vùng thu sét được xây dựng từ một bán cầu có bán kính là độ lợi khoảng cách của đầu thu ESE và một parabol gọi là đường đồng khả năng giới hạn bán cầu đó. Tuỳ theo mức HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ - 4– Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương độ bảo vệ của công trình tương ứng với cường độ sét mà ta xác định được vùng bảo vệ khác nhau. Đầu thu sét ESE phải 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 như: đỉnh nhọn nhô ra, gờ mái…Hay nói cách khác bán kính bảo vệ của đầu thu ESE phải bao trùm bán kính cạnh tranh của các điểm cạnh tranh. Hình 1.4:Phạm vi bảo vệ theo tiêu chuẩn AS 1768 Bên cạnh đó cũng có một số công trình nghiên cứu về vùng bảo vệ của loại đầu thu này. Tuy nhiên hầu như chỉ nêu rất sơ lược về vùng bảo vệ, không chỉ ra được các trường hợp nguy hiểm trong vùng bảo vệ như: - Hồ Văn Nhật Chương, Phạm Đình Anh Khôi, Ứng dụng mô hình điện hình học khảo sát phạm vi bảo vệ của các loại đầu thu sét phát xạ sớm (ESE), 2002. - M.Mouse, Non Conventional Lightning Protection Systems – An update, IEEE, 2010 - Ufuk Candar Foya, Protection Of Structures Against Lightning, Middle East Technical University, 2004. Tuy nhiên, trong thực tế đã có nhiều công trình khi tính toán, thiết kế đã thực hiện theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất và các tiêu chuẩn nêu trên, công trình nằm trong vùng bảo vệ của cột thu sét nhưng vẫn bị sét đánh trúng. Và đã được nhiều bài báo khoa học nêu ra như: HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ - 5– Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương - Hartono Zainal Abidin, Robiah Ibrahim, Close Proximity Bypasses to Collection Volume and Early Streamer Emission Air Terminals, 7th Asia-Paciffic International Conference on Lightning, Chengdu, China, 2011. - Hartono Zainal Abidin, Robiah Ibrahim, Performance of non-standard lightning air terminals:revisited, 29th International Conference on Lightning Protection, Sweden, 2008. - M. Mousa: Failure of the collection volume method and attempts of the ESE lightning rod industry to resurrect it, Journal of Lightning Research, Vol. 4, 2012. - William Rison, Experimental Validation of Conventional and NonConventional Lightning Protection Systems, IEEE, 2003. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, tại Việt Nam các đầu thu ESE đã được sử dụng ngày càng nhiều. Có thể thấy rằng, so sánh về phạm vi bảo vệ và tính mỹ quan, loại đầu thu mới này có nhiều ưu điểm vuợt trội so với các loại thiết bị thu sét cổ điển. Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra là Việt Nam cũng như một số nước trong khu vực Đông Nam Á hiện nay chưa có tiêu chuẩn giành riêng cho việc tính toán, thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp sử dụngđầu thu ESE.Bên cạnh đó chúng ta cũng chưa có một hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh về công nghệ này cũng như các phương pháp, công thức đế tính toán, thiết kế hệ thống chống sét này. Từ những phân tích trên cho thấy đề tài “Vùng bảo vệ của các đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm” không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có tính ứng dụng cao trong thực tiễn. Giúp việc tính toán, thiết kế hệ thống chống sét sử dụng đầu thu ESE một cách chính xác, tối ưu nhất có thể và xác định độ tin cậy của vùng bảo vệ nhằm giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra đến mức thấp nhất. Và đó cũng chính là các lý do đểbản thân quyết định chọn đề tài nghiên cứu này. 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đề tài có những ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau: - Tổng hợp một cách hoàn chỉnh lý thuyết về hiện tượng dông sét trong tự nhiên cũng như các kiến thức cơ bản về đầu thu ESE; HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ - 6–
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan