Chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN TRẦN HUỲNH CHỐNG SÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH Chuyên ngành: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN Mã số: 60.52.50 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ KIM HÙNG Phản biện 1: PGS.TS. NGƠ VĂN DƯỠNG Phản biện 2: TS. NGUYỄN BÊ Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 10 năm 2012. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU Dơng sét là hiện tượng thời tiết kèm theo sấm, chớp xảy ra. Cơn dơng được hình thành khi cĩ khối khơng khí nĩng ẩm chuyển động thăng. Cơn dơng cĩ thể kéo dài từ 30 phút đến 12 giờ và cĩ thể trải rộng từ vài chục đến vài trăm km. 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Sét đã gây thiệt hại rất lớn cho nhiều ngành, cả lớn về vật chất và con người. Do đĩ việc phịng chống sét trở thành vấn đề bức bách cho nhiều ngành và được rất nhiều người quan tâm. Đề tài nghiên cứu này nhằm tìm ra giải pháp tối ưu để bảo vệ các cơng trình trước các tác hại do dơng sét gây ra. Bảo vệ các cơng trình bằng cách ngăn khơng cho các tia sét đánh trực tiếp xảy ra, khơng phải là ý tưởng hồn tồn mới. Nĩ chính là ý tưởng nguyên thủy của Franklin: phân tán điện tích của các đám mây bão bằng cách lắp đặt các cọc nhọn bằng sắt, các cọc sắt này dẫn được hồn tồn dịng điện tích đi khỏi khu vực cĩ thể gây ra tia sét. Trong suốt 250 năm qua các cọc dẫn sét Franklin đã thành cơng trong việc bảo vệ các cơng trình khỏi các hư hỏng do sét gây ra. Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy hệ Franklin khơng cho hiệu quả chống sét 100%, tuy sét đánh vào kim thu sét nhiều hơn và hiệu quả của phương pháp chống sét là khá tốt, song nhiều kết quả thực nghiệm cho thấy sét cĩ thể bỏ qua kim thu sét mà đánh trực tiếp vào cơng trình mặc dù kim thu sét được thiết kế rất cao. Ngay cả khi sét đánh vào kim thu sét thì dây nối đất vẫn khơng hiệu quả cho việc dẫn các thành phần tần số cao của tia sét khi cĩ các vật kim loại ở gần. Các cơng trình cĩ chứa các thiết bị nhạy cảm với sét như các thiết bị điện tử sẽ bị hỏng hĩc. Đối với các thiết bị nhạy cảm này cần phải cĩ những thiết bị chống sét chuyên dụng. 4 Phương pháp chống sét truyền thống trong nhiều năm qua đã chứng tỏ khả năng bảo vệ của nĩ, tuy nhiên đối với yêu cầu cao như hiện nay (các thiết bị điện tử, nhà máy hạt nhân, kho đạn dược…) thì những nhược điểm nêu trên sẽ cĩ thể gây thiệt hại khơn lường. Trong 4 thập niên gần đây, do bùng nổ cơng nghệ vi mạch điện tử và máy tính, thì sét cảm ứng (thường được gọi là ảnh hưởng thứ hai của sét) trở thành vấn đề được quan tâm hàng đầu trong các cơng trình hiện đại. Dịng điện sét tạo ra một từ trường rất mạnh xung quanh hệ thống dây dẫn thốt sét từ cọc tiếp sét đến cọc tiếp đất, hình thành nên những điện áp cĩ biên độ lớn trong khoảng thời gian rất bé, đã phá hủy hay làm hỏng hĩc nhiều thiết bị điện tử nhạy cảm được lắp đặt lân cận đĩ. Việc ngăn cản các tia sét đánh vào các cơng trình là một trong số những biện pháp loại bỏ được những hư hỏng cho thiết bị điện tử do các ảnh hưởng thứ hai của sét. Hiện nay, tại các nước tiên tiến trên thế giới người ta đang ứng dụng thiết bị chống sét sử dụng phương pháp chuyển dịch điện tích và đã thu được những thành cơng to lớn trong việc ngăn ngừa sét đánh trực tiếp vào các cơng trình quan trọng. Ở Việt Nam hiện nay thiết bị này đã cĩ mặt trên thị trường. Tuy nhiên chúng ta chưa cĩ một hệ thống lý thuyết hồn chỉnh về cơng nghệ này cũng như các phương pháp, cơng thức để tính tốn, thiết kế hệ thống chống sét này. Đây là một cơng nghệ rất mới, nếu nghiên cứu thành cơng thì khả năng ứng dụng rất cao và cĩ thể sẽ thay thế cơng nhệ chống sét cũ để bảo vệ cho các cơng trình quan trọng ở Việt Nam. Trên đây là các lý do để tơi quyết định chọn đề tài nghiên cứu này. 5 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Hệ thống chống sét sử dụng phương pháp chuyển dịch điện tích 2.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thiết hệ thống chống sét chuyển dịch điện tích CTS (Charge Transfer System), cụ thể là tính tốn thiết kế hệ thống tiếp địa, dây dẫn và bộ tạo ion. Tính tốn số đỉnh nhọn cần thiết của bộ tạo ion để trung hịa điện tích cảm ứng trên mặt đất. Tạo lớp điện tích khơng gian giữa đám mây và cơng trình cần bảo vệ để làm giảm cường độ điện trường đến một trị số tối thiểu để khơng cịn khả năng phĩng điện sét xuống cơng trình cần bảo vệ. 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3.1 Ý nghĩa khoa học - Tổng hợp một cách hồn chỉnh lý thuyết về dơng sét - Ứng dụng phương pháp tính tốn mới để bảo vệ chống sét cho cơng trình - Ứng dụng lý thuyết trong lĩnh vực cơng nghiệp điện tử và chế tạo áp dụng để chống sét cho cơng trình xây dựng. 3.2 Ý nghĩa thực tiễn - Mục tiêu nghiên cứu của đề tài xuất phát từ thực tế, tình hình phức tạp của dơng sét ở Việt Nam. Ảnh hưởng của sét cảm ứng đối với các cơng trình cĩ các thiết bị điện tử nhạy cảm. Do đĩ kết quả sẽ cĩ ý nghĩa thực tiễn và cĩ thể áp dụng vào thực tế. - Cĩ khả năng ứng dụng rất cao, cĩ thể ứng dụng để thay thế hệ thống chống sét cổ điển để bảo vệ cho các cơng trình quan trọng - Nâng cao khả năng bảo vệ của cơng trình trước tác hại của sét 6 4. BỐ CỤC LUẬN VĂN Ngồi phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của đề tài được biên chế thành 4 chương: Chương 1: Tình hình dơng sét ở Việt Nam và các phương pháp phịng chống sét Chương 2: Chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích. Chương 3: Phân tích hiệu quả chống sét của CTS. Chương 4: Tính tốn thiết kế hệ thống chống sét sử dụng phương pháp chuyển dịch điện tích. CHƯƠNG 1 TÌNH HÌNH DƠNG SÉT Ở VIỆT NAM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỊNG CHỐNG SÉT 1.1 TÌNH HÌNH DƠNG SÉT Ở VIỆT NAM Việt Nam là nước nằm ở tâm dơng Châu Á, một trong ba tâm dơng trên thế giới cĩ hoạt động dơng sét mạnh. Mùa dơng ở Việt Nam tương đối dài bắt đầu từ tháng 4 và kết thúc vào thánh 10 hàng năm. Số ngày dơng trung bình khoảng 100 ngày/năm và số giờ dơng trung bình khoảng 250 giờ/năm. Ở Việt Nam cĩ khoảng 2 triệu cú sét đánh xuống đất trong 1 năm. Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ của Viện Vất lý Địa cầu thực hiện năm 2004. Cả nước cĩ 820 vụ sét đánh gây thiệt hại nhiều tỉ đồng, làm gián đoạn dịch vụ viễn thơng, điện lực… 1.2 SỰ HÌNH THÀNH DƠNG SÉT Sự hình thành của dơng : một điểm đánh thủng và đám mây bắt đầu gởi các điện tích đi xuống thơng qua đường ion hĩa khí quyển gọi là tiên đạo vạch. Nhiều tiên đạo vạch bắt đầu truyền xuống đất theo nhiều hướng, tìm kiếm chỗ điện tích đất tích tụ lớn nhất 7 trong khu vực. Các điện tích này dịch chuyển từng bước khoảng 50m, dừng lại, tìm kiếm điện thế tốt nhất, sau đĩ lại dịch chuyển tiếp. Các bước và các hướng dịch chuyển này làm cho sét cĩ dạng hình răng cưa. 1.3 CÁC GIAI ĐOẠN PHĨNG ĐIỆN SÉT 1.3.1 Giai đoạn 1: Giai đoạn phĩng điện tiên đạo Dưới tác dụng của điện trường của điện tích âm trên đám mây và trong kênh tiên đạo vùng đất bên dưới sẽ cĩ sự tập trung các điện tích cảm ứng trái dấu. Vị trí tập trung điện tích cảm ứng cĩ thể ngay bên dưới đám mây hay ở những nơi cĩ điện dẫn cao. Trong giai đoạn đầu hướng phát triển của các tia tiên đạo là ngẫu nhiên tuân thủ theo nguyên tắc là phát triển theo hướng cĩ cường độ điện trường cao nhất Khi kênh tiên đạo đạt đến một độ cao nhất định, gọi là độ cao định hướng, thì hướng phát triển của tia tiên đạo sẽ chịu ảnh hưỡng của các vật bên dưới mặt đất nơi cĩ sự tập trung điện tích cảm ứng cao. Do đĩ vị trí đổ bộ của dịng sét cĩ tính chọn lọc. 1.3.2 Giai đoạn 2: Giai đoạn phĩng điện chính hay phĩng điện ngược Khi kênh tiên đạo xuất phát từ đám mây dơng tiếp cận mặt đất hay kênh tiên đạo ngược. Cường độ điện trường trong khoảng cách khí tăng cao gây ion hĩa mãnh liệt khơng khí dẫn đến sự hình thành dơng plasma mới. Các điện tích cảm ứng dưới mặt đất tràn lên trung hịa các điện tích trong kênh tiên đạo từ đám mây. Các điện tích cảm ứng này tiếp tục đi theo đường của phĩng điện tiên đạo ban đầu, tiếp tục hướng lên đám mây, hình thành nên kênh phĩng điện chính 8 1.3.3 Giai đoạn 3: Giai đoạn kết thúc Khi kênh phĩng điện chính lên đến đám mây dơng, các điện tích cảm ứng từ mặt đất lên theo, tràn vào và trung hịa các điện tích trái dấu trong đám mây, các điện tích âm cịn thừa trên đám mây sẽ theo kênh phĩng điện chạy xuống mặt đất, dịng sét cĩ giá trị giảm dần.[1] 1.4 CÁC DẠNG PHĨNG ĐIỆN SÉT Dựa trên thực tế, phĩng điện sét được phân thành các dạng sau đây: - Phĩng điện bên trong đám mây - Phĩng điện sét mây – đất - Phĩng điện mây - mây 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỊNG CHỐNG SÉT 1.5.1 Phương pháp dùng lồng Faraday Là lồng kim loại bao kín khu vực bảo vệ. Theo lý thuyết sĩng điện từ thì đây là phương pháp lý tưởng để phịng chống sét. 1.5.2 Chống sét theo phương pháp cổ điển 1.5.2.1 Kim thu sét Franklin Vào năm 1752 nhà khoa học người Mỹ Benjamin Franklin đã phát hiện ra nguyên tắc chống sét cơ bản này. Về cấu tạo bao gồm các bộ phận sau: + Kim thu sét + Cột gắn kim thu sét + Dây dẫn truyền năng lượng sét xuống đất + Bộ phận nối đất 1.5.2.2 Đai và lưới thu sét Đai và lưới thu sét dùng để chống sét đánh thẳng cĩ thể làm bằng thép dẹt hay trịn tiết diện khơng được nhỏ hơn 35 2mm . Đai và 9 lưới cho phép đặt bên dưới lớp chống thấm hay lớp cách nhiệt của nĩ. 1.5.2.3 Dây thu sét Dây thu sét được dùng để bảo vệ những cơng trình cĩ dạng hẹp và kéo dài, cụ thể như các đường dây dẫn điện trên khơng, cĩ chiều dài đáng kể. 1.5.3 Chống sét theo phương pháp phi cổ điển 1.5.3.1 Hệ thống phát xạ sớm Đĩ là các loại kim thu sét cĩ đặc tính phát ra dịng mồi khá sớm khi điện trường khí quyển chưa đạt đến trị số tới hạn nghĩa là nĩ chủ động đĩn bắt dịng phĩng điện sét ở một điểm nào đĩ trong khơng gian cách xa cơng trình mà nĩ bảo vệ. 1.5.3.2 Hệ thống chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích (CTS) Hệ thống chuyển dịch điện tích nhằm ngăn ngừa sự hình thành tia sét. Khác với hệ thống chống sét trực tiếp dùng điện cực Franklin hay điện cực phát xạ sớm, hệ thống này chống sét bằng cách liên tục giảm cường độ điện trường giữa mặt đất và đám mây dơng xuống dưới khả năng xuất hiện tia tiên đạo do đĩ khơng xảy ra sét. Hệ thống chuyển dịch điện tích hoạt động theo nguyên lý phĩng điện điểm dựa trên hiện tượng corona, với hàng nghìn điểm nhọn bằng kim loại tạo ra ion bên trên hệ thống và ngăn ngừa sự hình thành tiên đạo sét. 1.6 KẾT LUẬN Qua chương 1 chúng ta thấy rằng đối với các thiết bị điện tử nhạy cảm thì ảnh hưởng của dịng điện sét và điện áp của nĩ gây ra là rất lớn. Đối với hai hệ thống chống sét dùng hệ Franklin và hệ thống phát xạ sớm sẽ cĩ dịng sét chảy trên hệ thống thốt sét và cĩ thể cĩ 10 một phần dịng điện sét chảy vào các thiết bị nhạy cảm. Đồng thời khi dịng sét chảy trên cáp thốt sét sẽ gây ra ảnh hưởng thứ cấp (cảm ứng). Xung quanh dây dẫn thốt sét hình thành những điện áp biên độ lớn trong thời gian rất bé cĩ thể làm hỏng các thiết bị điện tử nhạy cảm. CHƯƠNG 2 CHỐNG SÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH 2.1.1 Lý thuyết phĩng điện điểm Phương pháp phân tán điện tích sử dụng nguyên lý của lý thuyết phĩng điện điểm, cịn gọi là phân tán hoặc giảm nhỏ sự tích lũy các điện tích tĩnh. Phương pháp này chủ yếu sử dụng trong các ngành cơng nghiệp điện tử và chế tạo để kiểm tra sự tích lũy các điện tích tĩnh cĩ thể gây nhiễu hoặc gây nguy hiểm đối với các tổ hợp điện tử nhạy cảm, nĩ đã được cơng nhận và sử dụng rộng rãi với sự thành cơng to lớn. Mục đích duy nhất của sản phẩm phân tán tĩnh điện là giảm nhỏ sự tích lũy điện tích, do đĩ ngăn ngừa hồ quang điện hoặc dịng điện cĩ thể gây nguy hiểm. Phương pháp này được áp dụng để chống sét cho các cơng trình bằng cách chế tạo sản phẩm cĩ thể lắp đặt trên các cơng trình xây dựng để giảm nhỏ sự tích lũy điện tích trong đất. Hình 2.1: Phĩng điện điểm Hình 2.2: Điện cực phân tán 11 2.1.2 Sự phân phối điện tích Một điểm riêng lẻ đơn độc, ví dụ trên một kim thu sét đạt được một điểm bảo hịa nĩ cũng khơng thể phân tán điện tích với một tốc độ đủ nhanh và khơng giảm được sự tích tụ điện tích. Các vùng này khi đĩ trở thành các điểm tạo ra các tia ngược, do đĩ sẽ thu hút sét đánh vào chúng. Khi quy trình này được mở rộng ra với hàng ngàn điểm trong một điện cực phân tán (hình 2.2) sự tiêu tán các ion sẽ được mở rộng nhiều lần so với một điểm đơn lẻ. Kết quả là các điện tích trên mặt đất bị trung hịa và khơng đủ năng lượng điện cĩ khả năng thu hút sét nữa. Khơng hình thành tia ngược, các tiên đạo phân cấp sẽ tìm mục tiêu khác trội hơn.[11] 2.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG CHỐNG SÉT CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH Hệ thống chống sét chuyển dịch điện tích bao gồm các bộ phận sau: - Bộ tạo ion: Dựa trên nguyên lý phĩng điện điểm, được chế tạo bằng vật liệu thép khơng rỉ cĩ hàng nghìn điểm nhọn. - Bộ tập trung điện tích trong đất: Được làm bằng dây đồng và các cọc sắt tiếp đất. phải đảm bảo thu hút hết các điện tích xuất hiện trên mặt đất bị nhiễu điện do các đám mây dơng tích điện tạo ra. Khi các điện tích dịch chuyển vào vùng bảo vệ, nĩ được bộ tập trung điện tích dẫn lên bộ tạo ion. - Dây dẫn điện tích: Phải đảm bảo cĩ điện trở thấp để dẫn các điện tích từ bộ tập trung điện tích trong đất đến bộ tạo ion. Dây dẫn điện tích trong hệ thống phân tán điện tích khác với dây thốt sét trong hệ thống thu lơi Franklin là để dẫn dịng điện cĩ cường độ thấp 12 do sự dịch chuyển các điện tích bị cảm ứng trong đất lên bộ tạo ion bằng con đường ngắn nhất. 2.3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN Điện tích dương chủ yếu tập trung ở đỉnh của đám mây, điện tích âm tập trung ở điểm đáy của đám mây. Và một lượng điện tích dương cục bộ nằm ở vị trí thấp hơn vị trí của điện tích âm một chút. Trường điện tích tại mặt đất được tính theo cơng thức:[4] os os os os 0 3 3 3 2 2 2 2 2 22 2 2 0 os 0 0 os 2 2 2 4 ( ) 4 ( ) 4 ( ) p p neg neg p p p neg p Q H Q H q h E H D H D h Dpiε piε piε =− + − + + + (2.3) Ở đây: 0ε là độ điện thẩm chân khơng Qpos và Qneg là điện tích dương và âm của đám mây bão qpos là điện tích dương nằm ở dưới của đám mây bão Hpos, Hneg, và hpos là chiều cao của các loại điện tích tương ứng so với mặt đất và D là khoảng cách theo chiều ngang tính từ một điểm tại mặt đất đến điểm gần nhất của đám mây bão mang điện tích, Dưới các ảnh hưởng của trường điện từ tăng lên một cách đột biến, việc ion hố vùng khơng khí xung quanh các điểm nhọn tăng lên một cách nhanh chĩng, dẫn đến việc hình thành vùng khơng gian điện tích dương xung quanh các điểm nhọn. Sự xuất hiện của một lượng điện tích phụ gần với mặt đất làm thay đổi điện trường tổng E0. Một lượng điện tích mới được chèn vào điện trường tổng, mà nguyên nhân chính là do sự hiện diện của điện tích khơng gian qsc, phương trình (2.3) được viết lại thành phương trình (2.4). Phương trình này cĩ thể được sử dụng để tính tốn giá trị mới của trường điện tĩnh với sự hiện diện của điện tích dương thêm vào qsc tại độ cao hsc so với mặt đất. os os os os 0 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 0 os 0 0 os 0 2 2 2 2 4 ( ) 4 ( ) 4 ( ) 4 ( ) p p neg neg p p sc sc p neg p sc Q H Q H q h q hE H D H D h D h Dpiε piε piε piε =− + − − + + + + (2.4) 13 Việc tính tốn trường điện từ tại mặt đất theo phương trình (2.4) được xem là chưa hợp lý trong một số trường hợp khởi đầu cho bước phĩng điện sét. Vì vậy, phương trình (2.4) phải được thay đổi, bằng cách phải tính đến thành phần điện tích âm Qneg, đang di chuyển xuống. Qneg cĩ thể được xác định tại các thời điểm trong quá trình khởi động phĩng điện sét và được tính theo phương trình (2.4): 1( )neg s neg TQ H Hρ∆ = + hoặc 1( * )neg s negQ H v tρ∆ = + (2.5) Ở đây ρ sl là mật độ điện tích phĩng điện sét (giả thiết là 1 hằng số), HT là độ cao của điểm bắt đầu phĩng điện sét tại thời điểm t, và v là tốc độ trung bình của tia phĩng điện sét. Thay vào phương trình (2.4), ta sẽ cĩ phương trình (2.6) để tính E0 và Ep: os os es os os 0 3 3 3 2 2 2 2 2 22 2 2 0 os 0 0 os 1 3 1 1 2 2 2 2 2 202 2 2 0 2 2( ) 2 4 ( ) 4 ( ) 4 ( ) 2 2 1 1 44 ( ) ( ) ( ) p p neg n neg p p p neg p sc sc s sc T neg Q H Q Q H q h E H D H D h D q h h D D H H D piε piε piε ρ piε piε −∆ =− + − + + +     − + −   + + +  (2.6) 2.4 KẾT LUẬN Qua nghiên cứu chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích chúng ta nhận thấy rằng: điểm kỹ thuật chính yếu để thiết kế một hệ thống ngăn cản các tia sét đánh trực tiếp vào một vùng cần được bảo vệ là việc tính tốn số đỉnh nhọn và dạng hình học của chúng để tạo ra điện tích khơng gian che chắn cho kiến trúc cần được bảo vệ. 14 CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CHỐNG SÉT CỦA CTS 3.1 SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KÊNH SÉT VÀ CTS Phần này trình bày tính tốn điện trường tổng tại mặt đất là kết quả của sự tương tác giữa tiên đạo bậc di chuyển theo chiều dọc xuống dưới và khơng gian điện tích được tạo ra bởi CTS. 3.1.1 Mơ tả của kênh sét và giả định Để đơn giản cho việc tính tốn lượng điện tích này được bỏ qua. Các dữ liệu trung bình điển hình cho độ lớn điện tích và chiều cao của các khối điện tích được thể hiện trong bảng sau : Bảng 3.1 : Dữ liệu trung bình của đám mây dơng một số quốc gia trên thế giới 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 điện tích dọc theo chiều dài tia tiên đạo cũng được giả định. Với mật độ điện tích cụ thể 1mC/m, 1.5mC/m, 2mC/m tiên đạo bậc thì điện tích âm trong đám mây dơng giảm xuống 5C, 7.5C, 10C tương ứng (giả sử khơng cĩ phân nhánh) Chiều cao của CTS được giả định bằng 20m. Trong tính tốn này, độ lớn của cường độ điện trường đủ để đánh thủng khoảng cách khơng khí liên tục được giả định bằng 500kV/m. 3.1.2 Sự tương tác giữa kênh sét và CTS Cường độ điện trường tổng tại mặt đất được tính theo biểu thức sau đây: total Q Q leader Q CTSE E E E E E+ − −= − + + −∆ − (3.1) 15 Trong đĩ: QE+ : cường độ điện trường tạo ra bởi các điện tích dương QE− : cường độ diện trường tạo ra bởi các điện tích âm leaderE : cường độ điện trường tạo ra bởi tia tiên đạo bậc, QE−∆ : cường độ điện trường suy giảm bởi các điện tích âm chảy vào tia tiên đạo CTSE : cường độ điện trường tạo ra bởi điện tích khơng gian của CTS, [kV/m] Cơng thức tổng quát để tính các cường độ điện trường thành phần QE+ , QE− , QE−∆ , CTSE như sau : 2 0 2 4 QE Hpiε = , [kV/m] (3.2) Trong đĩ : Q : điện tích, [C] H : chiều cao của điện tích Q, [m] 6 0 1 9.10 4piε = Thành phần cường độ điện trường leaderE tạo ra bởi tia tiên đạo được tính theo cơng thức: 0 1 1[ ] 4 ( )leader Q Q E H vt H ρ piε − − = − − , [kV/m] (3.3) Trong đĩ: ρ : mật độ điện tích tia tiên đạo, [C/m] QH− : chiều cao của điện tích âm, [m] v: tốc độ di chuyển của tia tiên đạo, [m/s] t: thời gian di chuyển của tia tiên đạo, [s] 16 Điện tích âm suy giảm Q − ∆ do chảy vào tia tiên đạo được tính như sau: Q vtρ − ∆ = , [C] (3.4) 3.1.3 Tính tốn minh họa Nhằm minh họa cho hiệu quả chống sét của phương pháp chuyển dịch điện tích. Chúng ta giả định thơng số của kênh sét như sau: - Tốc độ di chuyển tia tiên đạo là 1m/ sµ - Mật độ điện tích của tia tiên đạo cho các trường hợp 1mC/m, 1.5mC/m, 2mC/m. Dựa theo các thơng số giả định trên, chúng ta tiến hành tính tốn sự tương tác của kênh sét đối với kim thu sét và CTS để thấy được sự hiệu quả của CTS so với kim thu sét trong vấn đề ngăn chặn sự phát sinh tia sét. Cĩ hai thiết bị chống sét được dùng để tính tốn là kim thu sét (một điểm nhọn) và hệ thống CTS cĩ 10000 điểm nhọn. Các kết quả tính tốn được hiển thị khi cho tia tiên đạo giảm dần độ cao từ 50m đến 30m so với mặt đất. Các dữ liệu dùng để tính tốn là các dữ liệu được đo tại Nam phi theo bảng 3.1, Qua các kết quả trong các bảng ta nhận thấy rằng: Đối với kim thu sét, khi tia tiên đạo di chuyển càng đến gần mặt đất thì cường độ điện trường tổng tại khu vực đĩ tăng lên rất lớn. khi tia tiên đạo cịn cách mặt đất 30m thì cường độ điện trường tổng tại khu vực đĩ đã vượt quá 500kV/m và tia sét đánh trực tiếp vào kim thu sét sẽ xảy ra. Ngược lại, khi thay thế kim thu sét bằng hệ thống chuyển dịch điện tích (CTS) với 10000 điểm nhọn thì khi tia tiên đạo càng xuống gần mặt đất dẫn đến cường độ điện trường do đám mây gây ra 17 tăng lên. Lúc này CTS càng phát xạ điện tích dương mạnh hơn và làm giảm cường độ điện trường tổng tại khu vực đĩ. Theo kết quả trong các bảng 3.5, bảng 3.6, bảng 3.7 thì cường độ điện trường tổng giảm xuống thấp hơn ngưỡng 500kV/m rất nhiều nên việc sét đánh trực tiếp vào khu vực được bảo vệ khơng thể xảy ra. 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA SỐ LƯỢNG ĐIỂM NHỌN ĐẾN ĐIỆN ÁP PHĨNG ĐIỆN. Bảng 3.8: Quan hệ giữa số điểm nhọn và điện áp phĩng điện Số lượng điểm nhọn N Điện áp phĩng điện (kV) 1 148.5 250 157.5 500 166.5 750 174 1000 184 3.3 KẾT LUẬN Trong chương này ta đã tìm hiểu và tính tốn minh họa để chứng minh sự hiệu quả của phương pháp chống sét chuyển dịch điện tích. Qua các kết quả tính tốn ta nhận thấy rằng: Hệ thống chuyển dịch điện tích (CTS) cĩ khả năng ngăn cản những cú sét đánh vào vị trí cần bảo vệ. Hệ thống này tạo ra một vùng điện tích trên đối tượng được bảo vệ bằng cách chuyển các điện tích dương vào các vùng khơng khí xung quanh thơng qua một quá trình xử lý gọi là phĩng điện điểm (Point Discharge). Kết quả là các phân tử khơng khí bị ion hố hình thành nên sự trộn lẫn các phân tử khơng khí tích điện và khoảng khơng tích điện, gọi là vùng tích điện, hình thành nên một trường giữa đám mây bão và vị trí được bảo vệ. Vì vậy điện thế giữa điểm cần bảo vệ và các đám mây bão giảm xuống rất nhiều. Do đĩ đã ngăn cản được các tia sét đánh thẳng. 18 CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT SỬ DỤNGPHƯƠNG PHÁP CHUYỂN DỊCH ĐIỆN TÍCH Hệ thống chống sét chuyển dịch điện tích bao gồm các bộ phận: Bộ tập trung điện tích trong đất (Hệ thống nối đất), bộ tạo ion và dây dẫn điện tích. 4.1 CÁC BƯỚC TÍNH TỐN THIẾT KẾ CTS Để tính tốn thiết kế hệ thống chống sét theo phương pháp chuyển dịch điện tích ta tiến hành các bước sau: 4.1.1 Tính tốn thiết kế bộ tập trung điện tích trong đất: Điện trở của bất kỳ điện cực R1 cĩ thể được ước tính theo cơng thức:[6] 1 29.2608ln 1 0.583692 LR L d ρ = − (4.2) Trong đĩ: ρ là điện trở suất của đất [ mΩ ] L là chiều dài điện cực , [m] d là đường kính của điện cực, [m] Tính tốn số lượng thanh tiếp địa yêu cầu là : 1 N R KN R = (4.3) Trong đĩ : R1 là điện trở của một điện cực tiếp đất K là hệ số RN là điện trở đất mong muốn N là số thanh tiếp địa yêu cầu 19 4.1.2 Hệ thống dây dẫn Dây dẫn cĩ nhiệm vụ kết nối hệ thống nối đất với bộ tạo ion. Trước đây dây dẫn thường được chơn trong rãnh sâu khoảng 25cm (9,8 inches). Tuy nhiên, hiện nay một phương pháp duy nhất được sử dụng để kết nối hệ thống tiếp địa là phương pháp kích hoạt hĩa học. Đồng ống mềm cĩ đường kính ít nhất là 1,27 cm (1/2 inches). Thành phần 99% đồng nguyên chất hoặc dây cáp đồng trần 4/0 AWG theo tiêu chuẩn Mỹ, được sử dụng để kết nối với hệ thống tiếp đất được kích hoạt hĩa học. Mỗi điện cực được kết nối với hệ thống dây dẫn tại một điểm duy nhất để cĩ một hệ thống nối đất đảm bảo kỹ thuật. Ngồi ra, tất cả các mối hàn được hàn bạc hoặc hàn hĩa học với nhau để đạt được điện trở 5 Ω hoặc thấp hơn nếu cần thiết. Các ống đồng hoặc cáp đồng trần 4/0 AWG được chơn sâu ít nhất 25cm (10 inches) nhưng cũng khơng được sâu quá 40cm (16 inches). Tại những khu vực nơi mà mặt đất cĩ thể đĩng băng thì cĩ thể chơn sâu hơn.[6] 4.1.3 Tính tốn thiết kế bộ tạo ion 4.1.3.1 Tính tốn điện tích khơng gian và số điểm cần thiết Trong mơi trường dơng sét, CTS sẽ bơm một lượng điện tích dương vào khơng khí phía trên cấu trúc được bảo vệ. Lượng điện tích dương đĩ được xác định theo phương trình sau : aq Q A = (4.5) Trong đĩ : q : điện tích khơng gian cần thiết [C] a : khu vực được bảo vệ [ 2m ] A: khu vực cảm ứng điện tích [ 2m ] Q: địên tích trong đám mây [C] 20 Để CTS cĩ thể bơm vào khơng khí phía trên cấu trúc được bảo vệ một lượng điện tích dương q thì số lượng đỉnh nhọn cần thiết cho quá trình phĩng điện điểm sẽ là: p qN I t = (4.6) Trong đĩ: N: Số lượng điểm nhọn cần thiết q: Điện tích khơng gian cần thiết, [C] Ip: Dịng điện tại mỗi điểm, [µ A] t: Thời gian cần thiết để tích lũy q, [s] Dịng phĩng điện tại mỗi điểm dựa theo nghiên cứu của phịng thí nghiệm: Ip = 60 µ A/điểm trong trường hợp dơng bão.[6] Khi tia tiên đạo tiếp cận cách mặt đất khoảng 100 mét, thì vận tốc di chuyển của tia tiên đạo cho 100 mét cuối cùng này là 0.5m/ µ s. Để đối phĩ với điều đĩ, một lượng điện tích khơng gian đáng kể phải đặt đúng vị trí trước khi tia tiên đạo lan truyền.[10] 4.1.3.2 Phạm vi bảo vệ của hệ thống chuyển dịch điện tích (CTS) Phương pháp tính tốn khu vực bảo vệ của CTS được phát triển dựa trên sự so sánh với khu vực bảo vệ của cột thu lơi. Để tính phạm vi bảo vệ của CTS so với cột thu lơi ta giả định cường độ điện trường tại điểm A (cột thu lơi) và điểm B (CTS) bằng nhau nên ta cĩ: 3 3 2 2 2 22 2 0 .0 0 .0 22 4 ( ) 4 ( ) CTSr r CTS q hq h h R h Rpiε piε = + + 21 Giải phương trình trên cho RCTS.0 ta sẽ được phương trình tính bán kính khu vực bảo vệ của hệ thống CTS tại mặt đất như sau: 2 2 2 23 .0 .0( ) ( )CTS rR Nk h R h= + − , [m] (4.10) Bán kính khu vực bảo vệ của cột thu lơi tại mặt đất cĩ thể được tính theo cơng thức sau: .0 (2 )r strR h d h= − , [m] (4.11) Trong đĩ: strd : khoảng cách phĩng điện sét được xác định bởi độ lớn của dịng phĩng điện sét 4.2 VÍ DỤ TÍNH TỐN CHỐNG SÉT CHO MỘT CƠNG TRÌNH CỤ THỂ Để ứng dụng cho lý thuyết đã nghiên cứu và so sánh phạm vi bảo vệ giữa kim thu sét cổ điển và CTS. Sau đây là tính tốn thiết kế chống sét cho tịa nhà FLC Landmark Tower ở Hà Nội Bằng hai phương pháp: phương pháp cổ điển (cột thu sét Franklin) và phương pháp chuyển dịch điện tích. Tịa nhà FLC Landmark Tower cĩ kích thước như sau: - Chiều cao của tịa nhà: 115 mét - Chiều rộng của toa nhà: 44 mét - Chiều dài của tịa nhà: 77 mét 4.2.1 Tính tốn chống sét cho tịa nhà bằng kim thu sét Franklin 4.2.1.1 Lý thuyết tính tốn phạm vi bảo vệ của cột thu lơi 4.2.1.2 Tính tốn chống sét cho tịa nhà Qua quá trình tính tốn thiết kế cho tịa nhà ta thấy rằng với việc bố trí 15 kim thu sét như hình 4.10 và chiều cao của mỗi cột là 8 mét thì tịa nhà được bảo vệ an tồn. 22 4.2.2 Tính tốn chống sét cho tịa nhà bằng phương pháp chuyển dịch điện tích 4.2.2.1 Tính tốn bộ tập trung điện tích trong đất Áp dụng cơng thức (4.2) ta cĩ: 1 29.2608ln 1 0.583692 LR L d ρ = − Trong đĩ: 1R là điện trở của một thanh điện cực [Ω ] ρ là điện trở suất của đất [ mΩ ] L là chiều dài điện cực , [m] d là đường kính của điện cực, [m] Chọn chiều dài điện cực L=1m, đường kính điện cực d=0,05m. Thay ρ , L, d vào cơng thức trên ta cĩ: 1 25 29.2608 1ln 1 0.583692 1 0.05 xR x = − 1R = 230[Ω ] Số lượng thanh tiếp địa cần sử dụng để hệ thống tiếp địa đạt 5Ω : Áp dụng cơng thức (4.3) ta cĩ: 1 N R KN R = Thay 1R = 230, NR =5, K=1.2 vào ta được: 230 1.2 5 xN = = 55 23 Số thanh tiếp địa cần sử dụng là 55 thanh. Các thanh tiếp địa đặt cách nhau khoảng 10 mét, đĩng xung quanh tịa nhà cần bảo vệ và độ sâu của các cọc là 0,4 mét so với mặt đất. 4.2.2.2 Hệ thống dây dẫn Dùng đồng ống mềm cĩ đường kính là 2cm . Thành phần 99% đồng nguyên chất được sử dụng để kết nối với hệ thống tiếp đất được kích hoạt hĩa học. Mỗi điện cực được kết nối với hệ thống dây dẫn tại một điểm duy nhất để cĩ một hệ thống nối đất đảm bảo kỹ thuật. Ngồi ra, tất cả các mối hàn được hàn bạc hoặc hàn hĩa học với nhau để hệ thống tiếp địa đạt được điện trở 5 Ω hoặc thấp hơn . Các ống đồng được chơn sâu cách mặt đất 40cm 4.2.2.3 Bộ tạo ion Để CTS cĩ thể bơm vào khơng khí phía trên cấu trúc được bảo vệ một lượng điện tích dương đủ để trung hịa điện tích của tia tiên đạo là 2.5C (95% các tia tiên đạo cĩ điện tích là 2.5C). Số lượng đỉnh nhọn cần thiết của hệ thống CTS là : Áp dụng cơng thức (4.6) : p qN I t = Trong đĩ: N: Số lượng điểm nhọn cần thiết q: Điện tích khơng gian cần thiết, [C] Ip: Dịng điện tại mỗi điểm, [µ A] t: Thời gian cần thiết để tích lũy q, [s] Khi tia tiên đạo tiếp cận cách mặt đất khoảng 100 mét, thì vận tốc di chuyển của tia tiên đạo cho 100 mét cuối cùng này là 0.5m/ µ s. Nếu chúng ta giả định rằng CTS phải trung hịa một lượng 24 điện tích của tia tiên đạo là 2.5C (95% các tia tiên đạo cĩ điện tích là 2.5C) trong khoảng thời gian là 25µ s (thời gian đi được 50 mét của tia tiên đạo) số lượng đỉnh nhọn N của CTS cần thiết sẽ là: 6 2.5 4000(25)(25.10 )N −= = điểm 4.2.2.3 Xác định phạm vi bảo vệ, chiều cao và vị trí đặt CTS Một CTS với 4000 điểm nhọn được đặt lên đỉnh của tịa nhà. Giả sử chiều cao của CTS so với đỉnh tịa nhà là 8 mét. Xác định phạm vi bảo vệ của CTS như sau: Bán kính bảo vệ của một kim thu sét Franklin cĩ chiều cao 8 mét là: Rr=1,5x8=12m Áp dụng cơng thức 4.10, ta cĩ bán kính bảo vệ của CTS: 2 2 2 23( ) ( )CTS rR Nk h R h= + − Cho hệ số k=1, thay các giá trị vào cơng thức trên ta được: 2 2 2 23(4000) (8 12 ) 8 228CTSR m= + − = Vậy bán kính bảo vệ của CTS là 228 mét. Ta nhận thấy rằng, nếu ta đặt một CTS cĩ số điểm nhọn là 4000 điểm, chiều cao là 8 mét trên đỉnh của tịa nhà thì CTS sẽ loại trừ khả năng sét đánh vào tịa nhà Sau khi tính tốn thiết kế chống sét cho tịa nhà FLC Landmark Tower bằng hai phương pháp kim thu sét và hệ thống chuyển dịch điện tích ta cĩ nhận xét rằng : Với cùng kích thước của tịa nhà nếu sử dụng kim thu sét thì chúng ta sử dụng đến 15 kim cĩ chiều cao là 8m mới đảm bảo bảo vệ an tồn cho cơng trình. Nhưng với phương pháp phân tán điện tích ta chỉ cần 1 CTS 4000 điểm nhọn 25 cĩ chiều cao 8m thì khơng những đảm bảo an tồn cho cơng trình mà phạm vi bảo vệ cịn rất rộng so với cơng trình cần được bảo vệ. 4.3 KẾT LUẬN Nội dung chương 4 đã trình bày quy trình để thiết kế một hệ thống chống sét sử dụng phương pháp chuyển dịch điện tích và một ví dụ minh họa cho một cơng trình cụ thể. Qua kết quả đạt được chúng ta thấy rằng việc thiết kế chống sét cho một cơng trình bằng phương pháp chuyển dịch điện tích là rất khả thi và cĩ khả năng bảo vệ tốt các cơng trình quan trọng trước tác hại của dơng sét. Theo tính tốn của các nhà khoa học, CTS trong thời gian 25µ s cĩ thể cung cấp dịng điện phản ứng lên đến 80kA hoặc lớn hơn. Mỗi đỉnh nhọn cĩ thể phát ra một dịng ion lên đến 25A trong thời gian rất ngắn 25µ s. Điều này chứng tỏ CTS cĩ thể sản xuất một lượng điện tích khơng gian rất lớn đủ để ngăn chặn và chấm dứt sự phát triển của tia tiên đạo. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Hiện nay ở Việt Nam, để chống sét cho các cơng trình người ta thường dùng cột thu lơi. Trong những năm qua, kim thu sét cũng chứng tỏ sự hiệu quả chống sét cho các cơng trình. Tuy nhiên, với các cơng trình hiện đại cĩ nhiều thiết bị điện tử nhạy cảm cũng như các hệ thống máy tính quan trọng thì kim thu sét thể hiện nhược điểm của mình trong việc triệt tiêu các thành phần tần số cao. Dẫn đến những nhiễu loạn các tín hiệu ảnh hưởng đến sự chính xác của hệ thống máy tính cũng như cĩ thể gây hỏng hĩc các thiết bị điện tử. Vì vậy nghiên cứu chống sét với cơng nghệ mới theo phương pháp 26 chuyển dịch điện tích là vấn đề cần quan tâm. Qua luận văn kết quả đạt được là: 1. Tìm hiểu, hệ thống hĩa lý thuyết phương pháp chống sét chuyển dịch điện tích. Đây là một lý thuyết rất mới và chưa được ứng dụng tại Việt Nam. Nhưng trên thế giới lý thuyết này đã được ứng dụng rộng rãi và thu được những thành cơng to lớn. 2. Xây dựng được quy trình tính tốn, thiết kế hệ thống chống sét chuyển dịch điện tích. Qua tìm hiểu và tính tốn ta nhận thấy rằng phương pháp này cĩ thể bảo vệ cơng trình bằng cách khơng cho sét đánh thẳng vào khu vực được bảo vệ và khắc phục được những nhược điểm của kim thu sét cổ điển. 3. Tính tốn thiết kế chống sét cho cơng trình tịa nhà FLC Landmark Tower ở Hà Nội và đã minh chứng được hiệu quả vượt trội của hệ thống chuyển dịch điện tích so với kim thu sét Franklin. 4. Lý thuyết chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích là một lý thuyết tương đối mới. Vì vậy, đề tài khơng ngồi mục đích nghiên cứu một cơng nghệ khả thi để cĩ thể áp dụng vào thực tế ở Việt Nam nhằm khắc phục những nhược điểm mà hệ thống chống sét cổ điển cịn tồn tại. Kiến nghị: Nếu được xem xét ứng dụng thực tế, phương pháp tính tốn sẽ cĩ cơ hội được kiểm nghiệm, hồn chỉnh và phát triển thành một giải pháp hữu hiệu để chống sét cho các cơng trình quan trọng tại Việt Nam. Và đây cũng chính là hướng mở rộng của đề tài.