Giáo trình Cao áp - Chương 3

Phần I

Chơng 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
1



Kỹ thuật điện áp cao PDF by
Chơng 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

3.1. Mở đầu
Cơ chế vật lý của phóng điện mây - đất phục vụ mục đích bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
9 tia tiên đạo là một kênh dẫn bị ion hoá, điện dẫn rất lớn gồm các điện tích âm hoặc gồm các điện tích dơng
(lợng điện tích rất lớn cùng dấu tập trung tại đầu tia tiên đạo).
9 khi tia tiên đạo phát triển đến gần mặt đất, cờng độ điện trờng trong vùng phía trớc tia tiên đạo với mặt đất
gia tăng rất đáng kể làm xuất hiện phóng điện phát triển từ mặt đất hớng về phía tia tiên đạo.
9 cần phân tích các điều kiện phát triển của phóng điện hớng từ dới mặt đất lên trên phía các đám mây và từ
đó xác định các giá trị của phóng điện sét để hoàn thiện mô hình dự báo toán lý : phóng điện có khả năng xảy
ra cng dễ dng nếu điện trở của vật dới mặt đất cng bé.
9 điện trờng ở mặt đất là hàm của lợng điện tích trong tia tiên đạo, đặc biệt là ở đầu tia tiên đạo và khoảng cách
từ nó tới mặt đất.
Để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp ngời ta sử dụng các cột chống sét (CCS) và dây chống sét (DCS).
9 phạm vi bảo vệ của CTS và DCS thờng đợc xác định bằng mô hình, đó là một hình chóp xoay đợc xác định
dựa trên các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.
9 vẫn có khả năng sét đánh vào trong vùng bảo vệ của CTS và DCS, từ đó đã xuất hiện mô hình điện hình học.
9 mô hình điện hình học cho phép đánh giá hiệu quả thực tế thu hút phóng điện của CTS và DCS và là có sở để
so sánh các thiết bị bảo vệ chống sét khi có đám mây đến gần.
3.2. Nguyên tắc bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
Cột thu sét đợc Benjamin Franklin (1706-1790) phát minh vào năm 1752 sau khi ghi nhận đợc những điểm thu

hút phóng điện sét : sử dụng các mũi nhọn nhân tạo có thể thu hút phóng điện sét và sau đó dẫn dòng điện sét xuống đất.
3.2.1. Nguyên tắc bảo vệ
Bảo vệ chống sét dựa trên những hiểu biết về tơng tác giữ phóng điện sét với công trình cần bảo vệ và từ đó đa
ra các hành động bảo vệ thích hợp. Ngời ta phân biệt hai loại nhiễu do sét
9 liên quan đến hiệu ứng dòng điện sét (biên độ lớn dẫn đến hiện tợng nhiệt hoặc điện động học).
9 do sự lu thông của dòng điện sét do quá điện áp cảm ứng.
Các nhiễu loạn này có thể gây phóng điện hoặc phá huỷ kết cấu cách điện, làm xuất hiện tia lửa điện gây cháy nổ,
phá huỷ các thiết bị điều khiển, tự động, thông tin...
3.2.2. Thiết bị bảo vệ
Có hai loại loại bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và bảo vệ chống quá điện áp lan truyền.
a) Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp là :
9 tạo điều kiện để thu hút phóng điện sét đến những điểm định sẵn trên mặt đất (tránh sét đánh trực tiếp vào các
công trình hoặc thiết bị cần bảo vệ).
9 tản dòng điện sét vào đất.


Phần I

Chơng 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
2


Kỹ thuật điện áp cao
9 tác dụng bảo vệ của các hệ thống thu sét là trong giai đoạn phóng điện tiên đạo, trên đỉnh các hệ thống thu sét
(CTS hoặc DCS) tập trung các điện tích và điện trờng lớn nhất, mở đờng giữa tia tiên đạo và hệ thống thu sét.
9 tia tiên đạo ngợc lên phía trên phát triển từ các hệ thống thu sét càng làm tăng điện trờng và cuối cùng sét bị
thu hút về các CTS hoặc DCS.
9 các công trình cần bảo vệ thấp hơn nằm gần hệ thống thu sét, đợc che khuất, ít có khả năng bị sét đánh.
Để bảo chống sét đánh trực tiếp có thể đặt các kim thu sét trên các cột cao (CTS), dây thu sét hoặc lới thu sét. Đối

với những thiết bị này yêu cầu :
9 CTS (DCS) và dây dẫn dòng điện sét phải đợc thiết kế hợp lý.
9 tổng trở nối đất phải nhỏ.
9 các trạm biến áp do diện tích có hạn nên có thể bảo vệ hoặc bằng CTS hoặc bằng DCS.
9 các đờng dây tải điện cao áp trải rất dài nên không thể bảo vệ bằng CTS Franklin mà phải dùng DCS (lắp đặt
ở phía bên trên các dây dẫn pha và đợc nối trực tiếp vào cột hoặc qua các khe hở phóng điện).
Nếu không có DCS :
9 khi sét đánh vào đờng dây, dòng điện sét sẽ lan truyền theo dây dẫn về hai phía.
9 tại điểm sét đánh về mỗi phía có dòng điện bằng i/2 lu thông.
9 điện áp xuất hiện đi kèm sẽ bằng Zc.i/2 (với cú sét 25kA, tổng trở sóng của dây dẫn 400, quá điện áp xuất
hiện là 5000 kV, dễ dẫn đến phóng điện trên cách điện đờng dây).
Trờng hợp treo dây chống sét
9 quá điện áp sẽ bằng R.i(t) + L.di/dt (với trờng hợp trên nếu điện trở cột 10, điện cảm của cột 10H, độ dốc
của dòng điện sét 10 kA/s, quá điện áp chỉ còn 350 kV, thấp đáng kể so với sét đánh trực tiếp vào dây dẫn).
Một khó khăn không nhỏ đối với các thiết bị bảo vệ chống sét là đánh giá đúng hiệu quả bảo vệ chống sét.
b) Bảo vệ chống quá điện áp
Các thiết bị bảo vệ loại này có nhiệm vụ ngăn chặn tác động của quá điện áp do sét gây nên (nghiên cứu sau).
3.3. Bảo vệ chống sét bằng thu lôi
ý tởng bảo vệ chống sét đánh trực tiếp là :
9 định hớng chính xác tia tiên đạo sét đến những điểm định trớc trên mặt đất : kim thu sét, dây dẫn dòng điện
sét và nối đất.
9
ngoài ra cần rất chú ý tránh sự phá huỷ thiết bị do nhiệt khi có dòng điện sét đi qua.
3.3.1. Cột thu sét
Phóng điện sét có tính chất chọn lọc : sét đánh vào công trình có độ cao và các vật nối đất tốt có xác suất cao
hơn so với các công trình thấp hơn ở xung quanh.
Tính chất này đợc vận dụng trong việc chống sét đánh thẳng cho các công trình : những nguyên tắc cơ bản bảo vệ
các công trình chống sét đánh trực tiếp đã hầu nh không thay đổi từ năm 1752 khi Franklin đề xớng thực hiện bằng một
cột cao có đỉnh nhọn bằng kim loại đợc nối đến hệ thống nối đất gọi là CTS hay còn gọi là cột thu lôi.
Hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp (hệ thống thu sét) cơ bản gồm :

Phần I

Chơng 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
3


Kỹ thuật điện áp cao
9 một bộ phận thu đón sét (kim thu sét, dây thu sét)
9 dây dẫn đa xuống (dây dẫn dòng điện sét)
9 mạng lới điện cực nằm trong đất để tản dòng điện sét (hệ thống nối đất).
Cột thu sét là :
9 thiết bị không phải để tránh sét mà ngợc lại dùng để thu hút phóng điện sét về phía nó.
9 Sử dụng các CTS với mục đích là để sét đánh chính xác vào một điểm định sẵn trên mặt đất chứ không phải là
vào điểm bất kỳ nào trên công trình.
9 Việc láp đặt các CTS làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích công trình cần bảo vệ.
9 Do đó cần chọn vị trí láp đặt các CTS một cách hợp lý.
Tác dụng thu hút phóng điện sét về phía các hệ thống thu sét dựa trên :
9 hiệu ứng mũi nhọn của bộ phân thu sét : sự tích tụ điện tích ở đỉnh mũi nhọn làm khuyếch đại cờng độ điện
trờng cục bộ, gây ra hiệu ứng vầng quang quanh kim thu sét, làm ion hoá chất khí xung quanh nó.
9 CTS có độ cao lớn, điện trở bé tạo nên cờng độ điện trờng trên đỉnh cột khá lớn sẽ thu hút các phóng điện
sét về phía mình, do đó tạo nên khu vực an toàn quanh nó.
Ngời ta chia hệ thống tháo sét dùng để bảo vệ sét đánh trực tiếp thành 3 loại : CTS, DCS và thu sét sét hình lới.
3.3.2. Cột chống sét hiện nay
Sau phát minh CTS của Benjamin Franklin vào năm 1752, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và đề xuất các thiết
bị nhằm nâng cao năng lực thu hút sét, tăng khoảng cách bảo vệ so với các cột thu sét đơn giản.
9 nhà vật lý học ngời Hungary, L.Szillard đa ra một thiết bị chống sét vào năm 1914 bằng cách đặt nguồn chất
phóng xạ đặt gần mũi nhọn của CTS Franklin. Do tính phóng xạ, một cột không khí bị ion hoá trên đỉnh CTS,
tơng đơng làm tăng chiều cao của cột. Các thí nghiệm đối CTS thông thờng và cột thu sét có sử dụng chất

phóng xạ thực hiện tại vùng Alpe của Thuỵ sĩ không chứng minh đợc hiệu quả của phơng pháp này. Chất
phóng xạ lại là nguồn ô nhiễm môi trờng. Loại cột thu sét này hiện nay không đợc dùng nữa.
Còn có một số loại CTS hiệu quả hơn, ví dụ các CTS sử dụng hiệu ứng vầng quang dựa vào sự dẫn đờng của
vầng quang phát bằng cách đặt các xung cao áp (hàng chục nghìn vôn) vào đầu mũi nhọn của cột thu sét hoặc tìm cách
tạo ra các phóng điện tia lửa lặp đi lặp lại giữa điện cực trung gian và kim thu sét.
a) Cột chống sét phát xạ sớm (paratonnerre là dispositif d'amorỗage P.D.A.).
Ví dụ hai loại CTS phát xạ sớm của Pháp đợc đa vào sử dụng từ năm 1984
9 Thiết bị chống sét kiểu PULSA (hãng Hélita) : các xung cao áp từ 15 đến 20 kV lặp đi lặp lại đợc đặt vào kim
thu sét khi đám mây đến gần, điện tích không gian xuất hiện (do ion hoá) tập trung gần mũi nhọn, thúc đấy tia
tiên đạo phát triển lên phía trên, dẫn đ
ờng cho tia tiên đạo sét từ đám mây phát triển xuống.



Phần I

Chơng 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
4


Kỹ thuật điện áp cao
9 Thiết bị chống sét kiểu PREVECTRA (hãng Indelec) : gồm kim thu sét trung tâm (1) bằng đồng điện phân hoặc
thép không rỉ đọc gắn trên một trụ đỡ, hộp (3) bằng đồng nhằm bảo vệ thiết bị taọ ion hoá bên trong, hệ thống
các điện cực bên dới (4) và các điện cực phía trên (2). Ngoài ra còn có thiết bị tạo ion hoá. Nguyên tắc hoạt
động của kim thu sét PREVECTRA nh sau : trong trờng hợp xảy ra dông bão, điện trờng khí quyển tăng
nhanh, bộ cảm biến bên dới sẽ thu năng lợng điện trờng và tích trữ trong các thiết bị ion hoá. Trớc khi xảy
ra hiện tợng phóng điện sét có một sự gia tăng đột ngột điện trờng khí quyển, điều này tác động làm thiết bị
ion hoá giải phóng năng lợng đã tích luỹ đợc, các điện cực phía trên sẽ phát ra các tia lửa điện, tạo ra một
đờng dẫn tia tiên đạo về phía trên, chủ động dẫn sét
2

3
4

b) Kích thích phóng điện sét và định vị phóng điện sét
Việc nghiên cứu bản chất của sét và các hậu quả đòi hỏi sự kiên trì lớn và điều này hoàn toàn không đáp ứng đợc
các yêu cầu nghiên cứu bảo vệ chống sét.
9 phơng pháp kích thích phóng điện sét một cách nhân tạo : khi có đám mây dông tiến đến gần, ngời ta phóng
về phía đám mây một tên lửa cỡ nhỏ kiểu tên lửa chống ma đá kéo theo một sợi dây kim loại mảnh kéo từ
cuộn dây đặc biệt cột trên mặt đất.
9 Các hệ thống định vị sét cũng đợc nghiên cứu phát triển trong dựa trên sự dò tìm các bức xạ điện từ của sét, ví
dụ hệ thống LLS (Lightning Location System) đợc nghiên cứu tại Mỹ, sử dụng nguyên tắc tìm phơng bằng vô
tuyến.
3.4. Phạm vi bảo vệ của cột chống sét theo mô hình cổ điển
3.4.1. Láp đặt kim thu sét

i
i/2
i/2
i/2
L
fil
R
t
R
fil
u
U
Rt

Điện áp U giữa kim thu sét và đất đợc chọn là gốc có thế bằng không có trị số bằng :

()






++=
22
i
dt
d
L
i
RRu
filfilt
(3. 1)


Phần I

Chơng 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
5


Kỹ thuật điện áp cao
Ví dụ : R
t
=10, (bỏ qua R
fil

so với R
t
). L=10
-5
H, dây dẫn dài 10m, dòng điện I=200 kA, di/dt=10.10
9
A/s, ta có :
() ( )
MVVU 17,110.17,110.1010
2
10.200
10
695
3
==+=


Cần phải giảm thấp trị số điện trở nối đất để tránh phóng điện.
3.4.2. Phạm vi bảo vệ của cột chống sét theo mô hình kinh điển
Các CTS tạo ra một khoảng không gian gần cột thu sét (trong đó có vật cần bảo vệ), ít có khả năng bị sét đánh gọi
là phạm vi bảo vệ.
Phạm vi bảo vệ của CTS đã có nhiều thay đổi từ khi xuất hiện.
A

J

B

100

100

75

50

25

50

D

HF

I

CEG
P KL

M
O

JBCK Trụ - Gay Lussac 1823;
BAC côn Defonville 1874;
DAE côn Uỷ ban Paris 1875,
LFGM trụ Chapman 1875;
FAG côn Adam 1881;
OHIP trụ 1881;
a) Xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét
9 Hiệu quả bảo vệ của CTS đặc trng bởi xác suất sét đánh vào khu vực nào đó (tỉ lệ giữa số lần sét đánh vào

công trình đợc bảo vệ với số lần sét đánh vào cột thu sét).
9 Việc xác định chính xác khu vực hớng đánh của sét là rất khó, nhiệm vụ xác định tác dụng bảo vệ của hệ
thống tháo sét đợc quy về việc xác định quy luật phân bố phóng điện trong hệ nhiều điện cực giữa kênh phóng
điện sét với mặt đất trên đó có đặt các CTS và các công trình cần bảo vệ.
9 Những nghiên cứu về sét trên thực tế cũng nh trên mô hình cho thấy chiều cao của CTS và hệ thống nối đất là
rất quan trọng : xác suất sét đánh vào các công trình giảm khi khoảng cách đến CTS giảm.
9 Xác định xác suất sét đánh vào một công trình cụ thể là một nhiệm vụ phức tạp, vì vậy ngời ta sử dụng phạm
vi bảo vệ của các CTS.
9 Phạm vi bảo vệ của CTS đợc xác định trên cơ sở nghiên cứu các mô hình phóng điện sét trong các phòng thí
nghiệm, bằng các phóng điện tia lửa xung kích ở khoảng cách lớn, (độ tin cậy đợc khẳng định bằng kinh
nghiệm vận hành hệ thống điện trong thời gian dài).
b) Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi
Từ các kết quả nghiên cứu phạm vi bảo vệ của một CTS là miền đợc giới hạn bởi mặt ngoài của hình nón
cong tròn xoay có tiết diện ngang là các hình tròn.
Ơ độ cao h
x
có bán kính bảo vệ r
x
xác định theo côn thức đơn giản sau.

()
x
x
x
hh
h
h
r
+
=

1
6,1
(3. 2)


Phần I

Chơng 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
2


Kỹ thuật điện áp cao
h
x
h
r
x
h
x
r
x
h/3
02h
0,751,5h
h
M
h3
h

Phạm vi bảo vệ của CTS đơn a) Phạm vi bảo vệ dạng hình nón; b) Phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hoá; c) Phạm vi bảo vệ

theo ABB
9 Để thuận tiện trong tính toán trong thiết kế, dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hoá : đờng sinh của hình chóp
có dạng đờng gẫy khúc, đoạn ab nối đỉnh CTS có chiều cao h tới điểm cách xa chân cột 1,5h (điểm b có độ
cao 2/3 h).
9 Bán kính báo vệ r
x
ở ở độ cao h
x
cách mặt đất bằng :














=>

=<
p
h
h
hh
p
h
h
hh
x
x
175,0
3
2
8,0
15,1
3
2
xx
xx
r h Khi
r h Khi

(3. 3)
p là hệ số hiệu chỉnh chiều cao khi cộ cao hơn 30 m : với h30m, p = 1 ; h>30 m, p=
h
5,5

9 Theo V. V. Bazukin (Liên xô) phạm vi bảo vệ của CTS đơn có độ cao h dới 150m có dạng hình chóp có đỉnh ở
độ cao h
o
<h và bán kính bảo vệ r
x
(xác suất sét đành vòng qua biên giới bảo vệ không lớn hơn 0,005):


()













=
=
85,0
85,01,1
85,0
x
h
hh

h
x
0
r
h

(3. 4)
9 Tăng xác suất sét đánh vòng lên 0,05, phạm vi bảo vệ sẽ rộng lớn hơn. Với xác suất 0,05 công trình cần bảo vệ
bị sét đánh sẽ nhỏ hơn 1 lần trong 200 năm vận hành.
9 Phạm vi bảo vệ với xác suất 0,05 đợc xác định nh sau :















=
=
92,0
5,1
92,0

x
h
h
h
x
0
r
h

(3. 5)
9 Theo ABB CTS đơn tạo nên vùng bảo vệ hình nón có mặt cắt đợc bao bởi một cung có tâm bằng ba lần chiều
cao của cột kể từ mặt đất và đỉnh cột, cung này tiếp đất ở khoảng cách
5
h tính từ chân cột.
c) Phạm vi bảo vệ của hai CTS
9 Phạm vi bảo vệ của hai CTS có kích thớc lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ của hai cột đơn.
9 Thực nghiệm cho thấy khu vực có xác xuất 100 % phóng điện vào CTS có R=3,5h. Nh vậy khi hai CTS đặt
cách nhau a = 2R = 7 h thì bất kỳ điểm nào trên mặt đất trong khoảng giữa hai cột sẽ không bị sét đánh.


Phần I

Chơng 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
3


Kỹ thuật điện áp cao
r
ox
0,2h

h
x
h
o
=h-a/7
0,2h
o
a
1, 5h
0,75h
h
0,75h
o
1, 5h
o
r
x
R
x

Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét.
Hai CTS đánh đặt cách nhau khoảng cách a < 7h, sẽ bảo vệ độ cao h
0
:
77
a
hh
a
hh
oo

==


9 phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống nh của một cột,
9 phần bên trong đợc giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm: 2 đỉnh cột và điểm có độ cao h
0
.
9 Mặt cắt thẳng đứng cắt theo mặt phẳng vuông góc đặt giữa hai cột của phạm vi bảo vệ đợc vẽ giống nh của
một cột có độ cao h
o
. Dùng giá trị h
o
này để tính ra giá trị r
0x
.
Phạm vi bảo vệ của hai CTS có chiều cao khác nhau
1
2
2
0.75h
2
1,5h
2
0.75h
1
1,5h
1
a
a'
h

2
R
h
0
h
1

Phạm vi bảo vệ của hai CTS cao không bằng nhau.
Vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao (cột 1). Qua đỉnh cột thấp (cột 2) vẽ đờng thẳng ngang gặp đờng sinh của phạm
vi bảo vệ cột cao ở điểm 2' (điểm này đợc xem là đỉnh của một CTS giả định), cùng với cột thấp (cột 2) hình thành đôi cột
có độ cao bằng nhau (h
2
) với khoảng cách a.
Mọi công trình cần bảo vệ an ton bằng hai CTS phải đợc nằm gọn trong phạm vi bảo vệ ny nghĩa l có độ cao
công trình h
x


h
o
= h - a/7 v mặt bằng công trình đợc giới hạn trong mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở mức cao h
x
.
9 Phạm vi bảo vệ của hai cột đợc thể hiện (theo V. V Bazukin).
r
ox
h
x
a
h

r
x
h
h
min

Phạm vi bảo vệ của hai CTS theo Bazukin


Phần I

Chơng 3 : Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
4


Kỹ thuật điện áp cao
Với xác suất đánh vòng bằng 0,005 phạm vi bảo vệ của hai CTS bằng :


()
()
()

l)h nếu
hl nếu

l)h nếu
hl nếu h
x
0

=





+

=

minmin
4
min
/
.10.317,0
hhhr
r
r
hlhh
h
xo
õ
o

(3. 6)

Với xác suất đánh vòng bằng 0,05 phạm vi bảo vệ của hai CTS bằng :


()
()

l)1,5h nếu
hl nếu

l)h nếu
hl nếu h
x
0





=





=
minmin
min
/
,1
5,1.14,0

5,1
hhhr
r
r
hlh
h
xo
õ
o

(3. 7)
trong đó r
o
là vùng bảo vệ của CTS ở độ cao mặt đất (h
x
=0).
9
Nếu khoảng cách l giữa các CTS lớn hơn 3h (xác suất 0,005) và 5h (xác suất 0,05), thí mỗi CTS đợc xem nh
một cột độc lập.

9
Tiêu chuẩn của ABB, phạm vi bảo vệ của 2 CTS cách nhau một khoảng bằng hoặc nhỏ hơn 3h, là mặt cắt
đợc bao bởi cung bán kính R và tâm M
1
nằm giữa hai cột ở độ cao 3h.

d) Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét
9 Khi công trình cần đợc bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng một vài cột thì phải rất cao gây nhiều khó
khăn cho thi công láp ráp.
9 Trong trờng hợp này sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ

1

2
3
a
12

a
31

a
23
D

8h
a

r
x

r
0x12

r
0x23

r
0x31

1
4
3

2

D

8h
a

Phạm vi bảo vệ của a) ba CTS b) bốn cột thu sét
9 Phần ngoài của phạm vi bảo vệ xác định nh của từng đôi cột (yêu cầu khoảng cách a

7h).
9 Không cần vẽ phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các CTS mà chỉ kiểm tra điều kiện bảo vệ an
toàn.
9 Vật có độ cao h
x
nằm trong đa giác sẽ đợc bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện:
D

8 (h - hx) = 8 ha
9 Khi các CTS bố trí bất kỳ, cần phải kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn cho từng cặp ba cột đặt gần nhau.