Tài liệu thiết kế chống sét, thiết kế chống sét trong hệ thống cung cấp điện

Chương 9. BV QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN
9.1. SÉT VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN SÉT
1. Sét:
Là sự phóng điện tia lửa trong khí quyển giữa các đám mây tích điện
trái dấu hoặc giữa các đám mây với đất.

Khi bảo vệ chống sét cho người, các công trình và thiết bị trên mặt
đất chúng ta cần quan tâm đến sự phóng điện giữa các đám mây và đất.
2. Sự hình thành sét: Sự hình thành sét gắn liền với sự hình thành các đám
mây giông. Các đám mây giông tạo thành do các luồng khôngkhis nóng ẩm
từ mặt đất bốc lên đi vào vùng nhiệt độ âm, hơi nước ngưng tụ thành các
tinh thể băng. Các đám mây mang điện là do kết quả của các luồng không
khí mãnh liệt tách rời nhau tạo ra các điện tích trái dấu và tập trung chúng
trong các phần khác nhau của đám mây.
Các kết quả quan trắc cho thấy, 80% phần dưới của mây có cực tính âm, còn
ở phần trên của đám mây thường tích các điện tích dương.
12/19/2015

1


9.1. SÉT VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN SÉT
3. Quá trình phóng điện của sét
Phần dưới các đám mây giông được tích điện âm, do đó cảm ứng trên mặt
đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí
khổng lồ. Theo đà tích luỹ các điện tích âm của đám mây, cường độ điện
trường của tụ mây-đất sẽ tăng dần lên và nếu tại chỗ nào đó cường độ điện
trường đạt tới trị số tới hạn 25  30 KV/cm thì không khí sẽ bị ion hoá tạo
thành dòng plasma và bắt đầu trở nên dẫn điện, mở đầu cho quá trình
phóng điện của sét.
Phóng điện sét có thể chia làm 3 giai đoạn chính:

 Phóng điện tiên đạo
 Phóng điện ngược (phóng điện chủ yếu)
 Kết thúc quá trình phóng điện
Các giai đoạn phóng điện có thể hình dung qua dòng điện sét biến thiên theo
thời gian như hình vẽ (trang bên).
12/19/2015

2


3. Quá trình phóng điện của sét

is

t
GĐ phóng điện
tiên đạo 100 
1000 km/s

12/19/2015

is

is

t
Hình thành KV ion hoá
mãnh liệt gần mặt đất

is

t

GĐ phóng điện ngược
v = 6.104  105 km/s

t
Kết thúc PĐ

3


9.2. THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT
Dòng điện sét được ghi lại bởi các
máy hiện sóng cực nhanh có dạng
đường hình vẽ.
Hai tham số quan trọng nhất của
phóng điện sét là biên độ dòng điện
sét IS và độ dốc đầu sóng a.
1. Biên độ dòng điện sét
Kết quả đo lường cho thấy biên độ
sét IS biến thiên trong phạm vi
rộng từ vài kA đến hàng trăm kA
và được phân bố theo quy luật
thực nghiệm:  Vùng đồng bằng:

iS, KA
IS

IS/2

đs

t, s
s

Dßng ®iÖn sÐt theo thời gian

v I  10



IS
60

e



IS
26,1

Hay: lg v I  

IS
60

Hay: lg vI  

IS

30

 Vùng trung du và miền núi:

vI  10



IS
30

IS: Biên độ dòng điện sét, kA
vI: Xác suất xuất hiện sét có biên độ ≥ IS
12/19/2015

4


9.2. THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT
2. Độ dốc đầu sóng
Trong trường hợp tổng quát, độ dốc đầu sóng a được định nghĩa là đạo
hàm của dòng điện sét theo thời gian:

a

dis
dt

(kA/ s)

Is

 50 kA/ s

Khi tính toán, đầu sóng dòng điện sét thường được thay bằng
đường thẳng xiên góc có độ dốc trung bình:

atb 

 ds

 Xác suất xuất hiện dốc đầu sóng (xác định theo thực nghiệm):
a
a
 Cho vùng đồng bằng:


a
15, 7
36
Hay: lg va  
va  10  e

 Cho miền núi:

12/19/2015

va  10



a
18

e



a
7 , 82

36
a
lg
v


Hay:
a
18
5


9.2. THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT
• Trong tính toán có khi cần phải đồng thời xét đến cả hai yếu tố: Biên độ
dòng điện sét và độ dốc đầu sóng, ta dùng xác suất phối hợp:

 Đối với vùng đồng bằng:

is

a
is
a
lg v(is , a)  (  ) hay : ln v(is , a)  ( 
)
60 36
26 15,7
 Đối với vùng miền núi:

12/19/2015

is
a
lg v(is , a)  (  )
30 18

6


9.3. CƯỜNG ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA SÉT
Cường độ hoạt động của sét tại các vùng lãnh thổ (hoặc khí hậu) có thể được
biểu thị thông qua 2 đại lượng nngs và mS.

• Số ngày sét trong năm nngs
Vùng lãnh thổ

Nngs (ngày/năm)

Vùng xích đạo

100  150

Vùng khí hậu nhiệt đới

60  100

Vùng khí hậu ôn đới

30  50

Vùng khí hậu hàn đới

<5

Theo đề tài KC.03.07 nước ta có: nngs = 100; nngsmax = 114
• Mật độ sét mS (là số lần có sét đánh trên 1km2 diện tích ứng với 1
ngày có sét).
Thường mS = 0,1  0,15.
Vậy số lần sét đánh trên diện tích 1km2 mặt đất trong 1 năm sẽ là:
Nj =mS nngs = (0,1  0,15) nngs
12/19/2015

7


9.4. TÁC HẠI CỦA SÉT VÀ ND CƠ BẢN BẢO VỆ CS
1. Tác hại của sét
• Khi sét đánh trực tiếp
• Khi sét đánh gián tiếp
2. ND cơ bản bảo vệ chống sét

• Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
• Bảo vệ chống sét lan truyền và cảm ứng

12/19/2015

8


9.5. B.VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
1. Khái quát chung
Để hạn chế thiệt hại về người và của do sét đánh
trực tiếp có nhiều biện pháp ngày càng hoàn thiện nhưng
đều dựa vào nguyên lý cổ điển do Franklin phát minh ra
vào năm 1752, đó là: dùng vật thu sét (kim thu sét, dây
thu sét,...) đặt cao hơn vật cần bảo vệ rồi nối với hệ
thống nối đất có điện trở nhỏ bằng các dây (hoặc thanh)
dẫn kim loại có tiết diện hợp lý để tản dòng điện sét.
Mục đích dùng các vật đặt cao hơn công trình, thiết
bị là để khi xuất hiện hiện mây giông, các vật thu này sẽ
tập trung điện tích từ mặt đất, tạo nên một cường độ điện
trường lớn giữa vật thu sét và mây sẽ định hướng phóng
điện về phía mình để tạo nên một không gian an toàn
cho công trình, thiết bị cần bảo vệ.
12/19/2015

9


Như vậy, để BVCS đánh trực tiếp thì HTCS sẽ có 3 bộ phận:
1

2

1. Kim thu sét;
2. Dây dẫn (thanh dẫn);
3. Điện cực nối đất.
3

12/19/2015

10


1. Khái quát chung (tiếp)
Cột thu sét thường dùng để bảo vệ các công trình, thiết bị, nhà xưởng
chống sét đánh thẳng, ngoài ra người ta còn có thể dùng phối hợp với dây
chống sét.
Đối với các đường dây tải điện trên không dùng DCS.
Để bảo vệ chống sét các đường dây tải điện, nên treo dây chống sét trên
toàn bộ tuyến đường dây là tốt nhất trong việc bảo đảm vận hành an toàn và
liên tục cung cấp điện nhưng làm như vậy rất tốn kém.
Trong thực tế, tuỳ theo tầm quan trọng của đường dây mà người ta có thể bố
trí dây chống sét trên toàn tuyến hay không:
 Thường các đường dây có điện áp 110 KV trở lên được bảo vệ trên toàn
tuyến đồng thời được phối hợp với khe hở phóng điên, chống sét ống hoặc
tăng số lượng bát sứ ở những nơi hay bị sét đánh, cột vượt cao và chỗ giao
chéo với đường dây khác hay ở những đoạn nối với trạm.
 Các đường dây điện áp đến 35KV ít được bố trí bảo vệ trên toàn tuyến mà
bảo vệ trên các đoạn hay bị sét đánh và đoạn 1  2 km trước khi nối với trạm
biến áp.

12/19/2015

11


2. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét (Franklin)
a. Nguyên lý chung:

Mô hình xác định phạm vi bảo vệ của cột TS:
Điện cực (đầu tia
tiên đạo)

MFX
Cột TS
Tấm KL
Đất

Khoảng không gian gần cột thu sét mà vật được bảo vệ đặt
trong đó, rất ít khả năng bị sét đánh gọi là vùng hay phạm vi bảo vệ
của cột thu sét.

12/19/2015

12


Trên cơ sở nghiên cứu các mô hình, người ta thấy rằng
phạm vi bảo vệ của một cột thu sét được giới hạn bởi
hình nón tròn xoay có đường sinh gãy khúc ở độ cao
2h/3 (hv). Bán kính bảo vệ của cột thu sét rx bảo vệ vật

ở độ cao hx được xác định bởi công thức sau:

1,6.ha
rx 
P
hx
1
h
P=1

5,5
P
h
12/19/2015

khi h  30m

khi h  30 m

h
2h/3
r

Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét
theo thực nghiệm

13


b. Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét

2h
 Khi hx 
h:
3
hx 

rx  1,5h 1 
P
 0,8h 

0,2h

ha

2

h
2h/3

1
1,5h

hx
0,75h

0,75h

1,5h

rx

2h
 Khi hx 
h:
3

 hx
rx  0,75h 1 
h


12/19/2015


P


Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
đã đơn giản hoá

14


c. Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với tổng số
PVBV của hai cột thu sét đơn nếu hai cột đặt cách nhau một khoảng a < 7h.

 PVBV của hai cột thu sét cao bằng nhau:

7ha  a
2b x  4r x
14 ha  a

0
R
0,2h

h
h0= h-a/7
1,5h

0,75h

a

hx
rx

bx

rx

PVBV của hai cột thu sét cao bằng nhau
12/19/2015

15

 Hai cột thu sét có độ cao khác nhau:
K
0,2h1

h2

h1

h0= h-a/7

1,5h1 0,75h1

1,5h2

a'
a
r1x

bx

r1x

r2x

r1x

PVBV của hai cột thu sét không cao bằng nhau

12/19/2015

16


d. Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét

D  8ha

Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét

12/19/2015

D  8ha

Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét

17


3. Phạm vi bảo vệ của dây thu sét
1. Phạm vi bảo vệ của 1 dây thu sét

0,8.ha
bx 
P
hx
1
h
1,2h
2h
 Khi hx 

h:
3
hx 

b x  1,2h 1 
P
 0,8h 
2h
 Khi hx 
h:
3

 hx 
b x  0,6h 1   P
h


12/19/2015

0,2h

ha
2h/3

hx

h

0,6h

0,6h

1,2h

2bx

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
18


2. Phạm vi bảo vệ của 2 dây thu sét
0
R
0,2h

h0= h-a/4
1,2h

h

hx
0,6h

0,6h

1,2h

a

12/19/2015

19


Lưu ý:
1. Vì độ treo cao trung bình của dây dẫn thường lớn hơn 2/3 độ treo
cao của dây thu sét (hx > 2h/3) nên có thể không cần đề cập tới phạm
vi bảo vệ mà biểu thị bằng góc bảo vệ .
Có thể tính toán được trị số của góc  là 310 (tg = 0,6)
Thực tế đường dây sẽ được bảo vệ khi: 200 < gh < 300.
DTS

a
h = a/4

12/19/2015

20


2. Dây chống sét càng cao, phạm vi bảo vệ càng lớn. Tuy
nhiên xác suất đánh vòng v qua dây chống sét lại cao.
Theo kinh nghiệm vận hành, xác suất này được xác định
như sau:

lg v 

 h
90

4

 là góc bảo vệ; h là chiều cao dây thu sét

12/19/2015

21