vùng bảo vệ của các đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm

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–


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương

- Đề tài nghiên cứu xuất phát từ thực tếvề giải pháp chống sét trực tiếp dùng
cột thu sét sử dụng đầu thu ESEngày càng phổ biến và tình hình phức tạp của dông
sét tại Việt Nam. Do đó kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao;
- Ứng dụng các phương pháp tiếp cận đã được chứng minh tính đúng đắn
trong thực tiễn đểđưa ra giải pháp mới phục vụ cho vấn đề tính toán, xác định vùng
bảo vệ và độ tin cậy của vùng bảo vệ của cột thu sét có trang bị đầu thu ESE cũng
như nâng cao khả năng bảo vệ của công trình trước tác hại củasét;
- Tài liệu, kết quả nghiên cứucó thể được sử dụng để phục vụ các nghiên cứu ở
mức độ cao hơn hoặc làm tài liệu tham khảo, tài liệu giảng dạy về phương pháp xác
định vùng bảo vệ và độ tin cậy của các cột thu sét sử dụng đầu thu ESE.
1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Đề tài đặt ra các mục tiêu chính như sau:
- Hoàn chỉnh lý thuyết về cấu tạo và nguyên tắc vận hành của các loại đầu thu
ESE.
- Đưa ra công thức tổng quát tính độ lợi khoảng cách ∆L cho từng loại đầu thu

ESE từ các số liệu thực nghiệm do nhà sản xuất cung cấp.
- Đưa ra phương pháp tính toán vùng bảo vệ của cột thu sét sử dụng đầu thu

ESE.
- Đưa ra phương pháp xác định độ tin cậy của vùng bảo vệ của cột thu sét sử

dụng đầu thu ESE.
- Xây dựng phần mềm tính toán vùng bảo vệ của đầu thu ESE và độ tin cậy
của vùng bảo vệ.
1.5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các cột thu sét có sử dụng đầu thu ESE.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài: phân tích giá trị độ lợi khoảng cách ∆Lthực
nghiệm củamột số loại đầu thu ESE, khảo sát vùng bảo vệ của cột thu sét sử dụng
đầu thu ESE.

HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ

- 7–


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương

1.6 Giải quyết vấn đề
Để đáp ứng được các mục tiêu đề ra, tiến hành nghiên cứu và giải quyết các
vấn đề sau:
- Thu thập và nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về sét, các hệ thống
chống sét, các phương pháp tính toán vùng bảo vệ của các hệ thống thu sét, cấu tạo
và nguyên lý vận hành của đầu thu ESE, đa thức nội suy Lagrange, lý thuyết mô

hình điện hình học và lý thuyết vùng thể tích hấp thu. Thu thập và xử lý các bảng số
liệu độ lợi khoảng cách ∆L thực nghiệm cho từng loại đầu thu ESE do nhà sản xuất
cung cấp;
- Ứng dụng đa thức nội suy Lagrange để xây dựng hàm đa thức nội suy từ các
số liệu thực nghiệm của các loại đầu thu ESE thông dụng có tại Việt Nam;
- Ứng dụng lý thuyết mô hình điện hình học để xây dựng công thức tính vùng
bảo vệ của cột thu sét sử dụng đầu thu ESE;
- Ứng dụng lý thuyết mô hình điện hình học và vùng thể tích hấp thu để xây
dựng công thứcxác định tin cậy của vùng bảo vệ của cột thu sét sử dụng đầu thu
ESE;
- Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab xây dựng phần mềm tính toán vùng bảo
vệ của đầu thu ESE và độ tin cậy của vùng bảo vệ.
1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Sưu tầm, tổng hợp và chọn lọc tài liệu liên quan từ các nguồn khác nhau.
- Tham khảo các tài liệu về lý thuyết quá trình hình thành sét, các hệ thống
chống sét trực tiếp, các phương pháp tính toán vùng bảo vệ của các hệ thống thu sét
phổ biến hiện nay, lý thuyết về cấu tạo và nguyên lý vận hành của đầu thu ESE, lý
thuyết đa thức nội suy Lagrange, lý thuyết mô hình điện hình học và lý thuyết vùng
thể tích hấp thu.
- Phân tích các các bảng số liệu độ lợi khoảng cách ∆L thực nghiệm của một
số loại đầu thu ESE thông dụng tại Việt Nam. Sử dụng phần mềm Matlab để hỗ trợ
trong việc tính toán.Đối chiếu số liệu: đối chiếu kết quả tính toán với số liệu thu
thập để từ đó rút ra kết luận.

HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ

- 8–


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương

- Tham khảo các tài liệu, các công trình khoa học đã công bố trước đó của các
nhà khoa học trong và ngoài nước.Tham khảo ý kiến của giảng viên hướng dẫn
khoa học.
1.8 Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu, phụ lụcnội dung của luận văn được chia làm 6 chương,
như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Giải tích hóa đường cong độ lợi khoảng cách của các đầu thu ESE
Chương 4: Vùng bảo vệ của đầu thu ESE
Chương 5: Độ tin cậy của vùng bảo vệ của đầu thu ESE
Chương 6: Phần mềm tính toán vùng bảo vệ của đầu thu ESE
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ

- 9–


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương

Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về sét

2.1.1 Sự hình thành mây dông và sét
Như chúng ta đã biết dông là hiện tượng xảy ra chủ yếu trong mùa hạ là hiện
tượng thời tiết kèm theo sấm, chớp xảy ra liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ của
đối lưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển bao gồm các loại sau: dông nhiệt (hình
thành từ các luồng khí nóng ẩm bốc lên do sự đốt nóng của ánh nắng mặt trời);
dông front (hình thành do sự gặp nhau của những luồng không khí nóng ẩm với
luồng không khí lạnh); ngoài ra ở các vùng núi cao các luồng không khí nóng ẩm
trườn theo sườn núi lên cao gọi là dông địa hình.
Sau khi đạt độ cao nhất định, ở khoảng vài km trở lên, luồng không khí nóng
ẩm này đi vùng nhiệt độ âm, bị lạnh đi, hơi nước ngưng tụ thành những giọt nước li
ti hoặc thành các tinh thể băng và tạo thành các đám mây dông, còn gọi là mây tích
vũ có độ dày từ 10 ÷ 16km, tích trữ một lượng nước và tạo ra những chênh lệch
điện thế rất lớn với mặt đất.
Từ lâu, người ta đã khẳng định vể nguồn tạo ra điện trường khổng lồ giữa các
mây dông và mặt đất chính là những điện tích tích tụ trên các hạt nước li ti và các
tinh thể băng của các đám mây dông đó. Nhưng do đâu có sự nhiễm điện của các
hạt nước và tinh thể băng cũng như sự phân ly các điện tích thì có nhiều giả thuyết
khác nhau và chưa được hoàn toàn nhất trí. Nhưng có điều chắc chắn là trong suốt
cơn dông, các điện tích dương và điện tích âm bị các luồng không khí mãnh liệt
tách rời nhau, gắn liền với sự phân bố các tinh thể băng trên tầng đỉnh và các giọt
nước mưa ở tầng đáy của đám mây dông. Sự tách rời điện tích này tuỳ thuộc vào độ
cao của đám mây, nằm trong khoảng từ 200 ÷ 10.000m, với tâm của chúng cách
nhau ước khoảng từ 300 ÷ 5.000m. Lượng điện tích trong các đám mây tham gia
vào cơn sét vào khoảng từ 1 ÷ 100C và có thể cao hơn. Điện thế của các mây dông
vào khoảng 107 ÷ 108V. Năng lượng tỏa ra bởi một cơn sét khoảng 250kWh. Như

HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ

- 10–

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS. TS. Hồ Văn Nhật Chương

vậy, muốn có sét trước hết phải có những đám mây dông mang điện tích và những
đám mây dông này hình thành nên một tụ điện khổng lồ với mặt đất.

Hình 2.1:Sự phân bố điện tích trong một đám mây dông
Theo kết quả quan trắc từ 80 ÷ 90% các đám mây dông tích điện tích âm bên
dưới, do đó cảm ứng trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên tụ
điện không khí khổng lồ. Cường độ điện trường trung bình nơi đồng nhất thường ít
khi quá 1kV/cm, nhưng cá biệt nơi mật độ điện tích cao, hoặc nơi có vật dẫn điện
tốt nhô lên cao trên mặt đất điện trường cục bộ có thể cao hơn nhiều và có thể đạt
đến ngưỡng ion hoá không khí (ở mặt đất trị số này 25 ÷ 30kV/cm và càng lên cao
càng giảm, ở độ cao một vài km giảm còn khoảng 10kV/cm) sẽ gây ion hoá không
khí tạo thành dòng plasma, mở đầu quá trình phóng điện sét phát triển giữa mây
dông và mặt đất.
Do đó có thể nói rằng sét xảy ra là do hiện tượng phóng điện tích tụ trong các
đám mây dông.
2.1.2 Các giai đoạn phát triển của sét
Sét là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn
kèm theo tiếng nổ. Quá trình phóng điện có thể xảy ra trong đám mây dông, giữa
các đám mây với nhauvà giữa đám mây dông với đất. Điện áp giữa mây dông và đất
có thể đạt tới trị số hàng chục, thậm chí hàng trăm triệu volt. Chiều dài trung bình
của khe sét khoảng 3 ÷ 5km, phần lớn chiều dài đó phát triển trong các đám mây
dông.Ở đây ta chỉ xem xét sự phóng điện giữa mây và đất.
Quá trình phóng điện sét bắt đầu từ một điểm đánh thủng và đám mây bắt đầu
gởi các điện tích đi xuống thông qua đường ion hóa khí quyển gọi là tia tiên đạo.
Nhiều tia tiên đạo bắt đầu truyền xuống đất theo nhiều hướng, tìm kiếm chỗ điện

HVTH: Nguyễn Trần Hoàng Vũ

- 11–