Điện - Chương 2: Phóng điện sét và bảo vệ chống sét đánh thẳng

Nội dung text: Điện - Chương 2: Phóng điện sét và bảo vệ chống sét đánh thẳng

1. Chương 2: Phóng điện sét và bảo vệ chống sét đánh thẳng I) Hiện tượng phóng điện sét: 1) Các đặc điểm: - Sét là 1 dạng phóng điện tia lửa ở trong trường không đều giữa các đám mây với nhau hoặc giữa đám mây với đất ở khoảng cách rất lớn, trung bình khoảng 5000m - Phóng điện sét có 2 giai đoạn: *Giai đoạn tiên đạo phát triển tự nhiên *Giai đọan tiên đạo phát triển định hướng Theo thống kê, thường chiếm khoảng 80% các đám mây xuất hiện trên bầu trời là tích điện âm.
2. 2) Giải thích: tia plasma Khi đám mây tích điện đủ lớn, cường độ điện trường do nó sinh ra đủ lớn (E ≥ 30KV/cm - là cường độ điện trường gây ion hóa không khí) thì khi đó sẽ có hiện tượng ion hóa không khí và hình thành dòng plasma. Dòng plasma này gọi là tia tiên đạo.
3. 2) Giải thích: tia plasma Xét một tia tiên đạo đi về phía mặt đất. Ở giai đoạn đầu thì tia tiên đạo phát triển tự nhiên. Vì plasma là một môi trường dẫn điện nên các điện tích âm của đám mây sẽ theo tia plasma và đi xuống.
4. tia plasma H0 - độ cao định hướng Khi tia plasma phát triển đến một độ cao nhất định nào đó (H0) thì dưới tác dụng của điện trường của các điện tích âm trong tia tiên đạo, phía dưới mặt đất sẽ có sự hưởng ứng điện tích và sẽ tập trung các điện tích khác dấu ở mặt đất. Quá trình phóng điện tiếp theo nó sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo và nơi tập trung các điện tích khác dấu trên mặt đất. Độ cao H0 được gọi là độ cao định hướng.
5. H0 Nếu đất có điện dẫn đồng nhất (không có nơi khô, ướt khác nhau) thì các điện tích trái dấu tập trung ngay ở phía dưới đầu tia tiên đạo và sét đánh thẳng xuống dưới đó. Nếu vùng đất phía dưới tia tiên đạo không đồng nhất thì điện tích trái dấu sẽ tập trung ở nơi có điện dẫn cao như ao hồ, sông, cây cao, và sét sẽ đánh vào điểm đó.
6. Như vậy có thể kết luận: sét đánh có chọn lọc. Vận dụng tính chọn lọc của phóng điện sét để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình Dùng cột thu lôi (cột thu sét) có độ cao nhất định và có điện trở nối đất bé thì cột thu lôi này sẽ thu hút các sét về phía mình và tạo ra một vùng an toàn xung quanh nó.
7. tia plasma do đất sinh ra Giai đoạn phóng điện ngược: là quá trình phóng điện ngược lại đi từ phía dưới lên (từ cực dương đến cực âm). Khi tia tiên đạo phát triển tới gần mặt đất thì điện trường trong khoảng không gian giữa nó với mặt đất sẽ có trị số rất lớn và bắt đầu có quá trình ion hóa mãnh liệt dẫn đến sự hình thành dòng plasma mới với mật độ ion lớn hơn nhiều so với tia tiên đạo.
8. Do điện dẫn của bản thân dòng plasma mới này rất cao nên ở đầu dòng sẽ có thế của mặt đất và như vậy hiệu số điện thế giữa đầu tia tiên đạo với mặt đất sẽ rất lớn. Vì thế điện trường trong khu vực này sẽ tăng lên rất cao và gây ion hóa mãnh liệt, dòng plasma được kéo dài và di chuyển ngược lên phía trên với tốc độ khoảng (0,05-0,5) tốc độ ánh sáng. Quá trình phóng điện này là phóng điện chủ yếu trong phóng điện sét.
9. −  tia plasma tia plasma do đất sinh ra  + Ho - độ cao định hướng Trong giai đoạn đầu, giả thiết mật độ điện tích âm phân bố đều dọc theo tia plasma với mật độ đường đi là − thì trong giai đoạn phóng điện ngược, các điện tích dương đi đến đâu sẽ trung hòa các điện tích âm đến đó, và như vậy bản thân nó cũng có mật độ điện đường là  + .
10. Nếu gọi v là tốc độ dịch chuyển của sóng điện tích dương Nếu gọi mật độ điện tích theo đường đi là:  Thì theo định nghĩa về dòng điện ta có is = .v (Tính khi sét đánh vào nơi nối đất tốt (R=0) ) Khi Zo R 0 is (R 0) = is (R = 0). Zo + R Zo là tổng trở của khe sét ( 200  ) Sét đánh vào dây dẫn thì dòng điện sét Z i i = i (R = 0). o s dd s Z Z + dd 2 o 2 Với Zdd 400
11. 3) Caïc tham säú cuía phoïng âiãûn seït: is is=at di a = s : Âäü âäúc cuía doìng âiãûn seït I s dt t  ds Is : biãn âäü cuía doìng âiãûn seït -Biãn âäü cuía doìng âiãûn seït : Is P −Ii / 26,1 I s Ii = e - Âäü däúc cuía doìng âiãûn seït : −ai /10,9 P a ai = e
12. 4) Cường độ hoạt động của sét: Theo từng vùng hay từng địa phương thì người ta biểu thị cường độ hoạt động của sét bằng số ngày hoặc số giờ có sét hằng năm Ngày có sét: là ngày có sét xuất hiện ít nhất 1 lần từ 0h đến 24h. Do đó, cường độ hoạt động của sét như sau: Vùng xích đạo: 100-150 ngày/năm Vùng nhiệt đới: 75-100 ngày/năm Vùng ôn đới: 30-50 ngày/năm 2 -Mật độ sét/ngày sét (ms): là số lần sét đánh xuống 1 km mặt đất trong 1 ngày sét: ms = (0,1 - 0,15) lần/ km2.ngày 2 - Mật độ sét/năm (Ms): là số lần sét đánh xuống 1 km mặt đất trong 1 năm.
13. II) Bảo vệ chống sét đánh thẳng (trực tiếp): Dùng hệ thống thu sét: -Bộ phận thu sét :kim ,dây -Bộ phận nối đất -Bộ phận liên lạc (dây nối dất) 1) Xác định phạm vi bảo vệ của 1 cột chống sét: R =3,5h Ho =20h :độ cao định MFX hướng h 1,6h
14. Để xác định bán kính bảo vệ ở ( h x 0 ) thì ông ta đưa vào mô hình 1 cây kim có độ cao là hx. Cho kim di chuyển thì sẽ xác định dược bán kính bảo vệ tới hạn rx. h − h r =1,6. x x h 1+ x h 0.8h h 2/3h hx 1.5h 0.75h 0.75h 1.5h rx Phương trình xác định bán kính bảo vệ: 2 hx hx h r =1,5h.(1− ) p 3 x 0,8h 2 hx h h rx = 0,75h.(1− ) p x 3 h 5,5 p = 1 h 30m p = h 30m h
15. 2) Xác định phạm vi bảo vệ của 2 cột chống sét: Khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột chống sét có bán kính R= 3,5h Như vậy nếu như có 2 cột thu sét đặt cách nhau 1 khoảng a = 7h thì mọi điểm trên mặt đất nằm giữa 2 cột sẽ không bị sét đánh Từ đó suy ra rằng nếu 2 cột TS đặt cách nhau 1 khoảng a< 7h thì nó sẽ bảo vệ được độ cao ho nằm giữa 2 cột thoả mãn điều kiện: a h = h − o 7
16. 3) Xác định phạm vi bảo vệ của nhiều cột chống sét: Nếu công trình có độ cao hx nằm bên trong đa giác hình thành bởi các cột sẽ được bảo vệ an toàn nếu thoả mãn điều kiện sau đây: D 8(h − hx ) r Trong đó D x là dường 2 rx2 kính ngoại rox1 a12 tiếp đa giác 1 r x1 D a23 rox2 a13 rox3 3 a.b.c rx3 D = 2. p( p − a)( p − b)( p − c)
17. 4) Xác định phạm vi bảo vệ của 1dây chống sét: = 200  250 hx 1.2h 0.6h 0.6h 1.2h bx bx Phương trình xác định bề rộng bảo vệ: 2 hx h h bx =1,2h.(1− ) p x 3 0,8h 2 h h h b = 0,6h.(1− x ) p x 3 x h
18. hx = 200  250 1.2h 0.6 0.6h 1.2h bx bx 2 Thông thường dây chống sét dùng bảo vệ cho dây dẫn mà h dd h cs 3 do đó người ta không quan tâm đến bề rộng của phạm vi bảo vệ mà chủ yếu là quan tâm đến góc bảo vệ (α) Góc bảo vệ (α)là góc giữa đường thẳng thẳng đứngđi qua dây chống sét và đường thẳng nối liền giữa dây chống sét và dây dẫn Có thể tính được trị số giới hạn của góc bảo vệ α: 0,6h tg = = 0,6 310 h
19. 5) Xác định phạm vi bảo vệ của 2dây chống sét: Nếu 2dây TS đặt cách nhau 1 khoảng s mà s< 4h thì nó sẽ bảo vệ được độ cao ho nằm giữa 2 dây thoả mãn điều kiện: s h = h − o 4 31o ho Ho s s
20. III) Các yêu cầu kỹ thuật bảo vệ sét đánh thẳng (trực tiếp) bằng hệ thống thu sét: 1) Công trình cần được bảo vệ an toàn phải nằm gọn trong phạm vi bảo vệ của hệ thống chống sét 2) Hệ thống thu sét có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt cách ly với công trình tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể : - Đối với hệ thống điện và trạm phân phối có U 110 kV do có mức cách điện cao cho nên có thể cho phép đặt hệ thống thu sét ngay trên bản thân công trình
21. III) Các yêu cầu kỹ thuật bảo vệ sét đánh thẳng (trực tiếp) bằng hệ thống thu sét: -Đối với hệ thống điện và trạm phân phối có U 35kV thì phải đặt hệ thống thu sét cách ly với công trình Xác định Sk ,Sđ để không gây phóng điện ngược Điện áp tại A : UA=Is.Rxk Điện áp tại B : dis dis U =I .R + L AB . = I S . R xk + Lohx . B s xk dt dt
22. Để không gây phóng điện ngược từ B đến công trình (không khí) thì: Cường độ điện trường trung bình trong khoảng không gian đó phải nhỏ hơn cường độ bắt đầu gây phóng điện trong không khí uB E 2 cpk SK uB Suy ra : Sk E 2 cpk I s Rxk + Lohx .a Sk E 2 cpk
23. Tương tự để không gây phóng điện trong đất (từ A đến công trình) uA Ecpd Sd uA Sd Ecpd Is Rxk Sd Ecpd 3) Dây nối đất trong hệ thống thu sét: Phải đảm bảo tiết diện để thoả mãn điều kiện ổn định nhiệt và chống ăn mòn Nếu dây có đường kính bằng 10 mm trở lên thì đảm bảo điều kiện ổn định nhiệt