http://www.ebook.edu.vn Chơng XVIII Bảo vệ chống sét đánh thẳng Đ18-1. Khái niệm chung: Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho công trình thờng dùng các hệ thống thu sét - cột thu sét, dây thu sét - gồm bộ phận thu sét (kim, dây), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ hai bộ phận trên với nhau (dây nối đất). Nh đã trình bày ở chơng XVI, tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là ở chỗ tập trung điện tích ở đỉnh bộ phận thu sét, tạo nên trờng lớn nhất giữa nó với đầu tia tiên đạo, do đó thu hút các phóng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dới và chung quanh hệ thống thu sét. Bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở nối đất bé để việc tập trung điện tích cảm ứng phía mặt đất đợc dễ dàng và khi có dòng điện sét đi qua, điện áp trên các bộ phận của hệ thống thu sét sẽ không đủ để gây nên phóng điện ngợc từ nó tới các công trình đặt gần. Độ cao so với mặt đất mà từ đó phóng điện tiên đạo bắt đầu có xu hớng phát triển về phía hệ thôngs thu sét gọi là độ cao định hớng của sét (H). Độ cao này phụ thuộc vào độ cao của bộ phận thu sét (h), nếu bộ phận thu sét cao dới 30m thì H = kh với hệ số k trong khoảng 10 ữ 20. Để nghiên cứu tác dụng bao rvệ của hệ thống thu sét, trên hình 18-1 cho điểm định hớng của sét di chuyển trên đờng nằm ngang cùng chung mặt phẳng với cột thu sét. Khi điểm này nằm đúng phía trên đỉnh cột thu sét, phóng điện sẽ phát triển về cột thu sét, nhng khi điểm định hớng di chuyển về hai phía thì có khả năng phóng điện xuống đất, khả năng này càng tăng khi điểm định hớng càng đi ra xa. Ví dụ ở vị trí mà điện áp phóng điện UU 01 02 = (xem hình vẽ) thì khả năng phóng điện về cột thu sét và khả năng phóng điện xuống đất sẽ bằng nhau và nếu điểm định hớng ra xa hơn thì sét chủ yếu sẽ phóng điện xuống đất. Để công trình đợc bảo vệ an toàn, phải đạt điều kiện sao cho điện áp phóng điện từ điểm định hớng tới nó lớn hơn điện áp phóng điện tới cột thu sét (U 01 ) hoặc tới mặt đất (U 02 ). Điều đó có nghĩa là công trình phải có độ cao thấp hơn và đặt gần cột thu sét. Đ18-2. Xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét bằng thực nghiệm. Hình 18-1 Nghiên cứu tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét. N U 02 U 01 h http://www.ebook.edu.vn Phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét đợc xác định bằng thực nghiệm trên mô hình. Phóng điện của sét đợc thay bằng phóng điện tia lửa xung kích ở khoảng cách lớn theo sơ đồ hình 18-2. Trong thí nghiệm của A.A Côpian (Liên xô), khi chiều cao hệ thống thu sét dới 30m chọn tỷ lệ H h = 20 đối với cột thu sét cao quá 30m độ cao định hớng giữ bằng số và bằng 600m đối với cột thu sét còn đối với dây thu sét bằng 300m. Mặc dầu phần lớn các phóng điện sét xuống đất đều có cực tính âm nhng thực nghiệm lại dùng cực tính dơng vì nếu phóng điện dùng cực tính âm sẽ có thể xuất hiện tia tiên đạo hớng lên từ đỉnh cột làm tăng độ cao của nó và phạm vi bảo vệ xác định đợc sẽ không đảm bảo an toàn. Ngoài ra khi dùng cực tính dơng do quá trình phóng điện xẩy ra dễ dàng hơn nên có thể tăng kích thớc củ mô hình. Kết quả khảo sát nhiều năm trên thực địa đã xác nhận tính đảm bảo của những đề nghị dựa trên cơ sở thực nghiệm . Trên hình 18-3, điện cực đặt ở độ cao H và di chuyển theo hớng nằm ngang, ở mỗi vị trí của điện cực sẽ cho phóng điện nhiều lần. Thực nghiệm cho thấy khi Rh 35, , toàn bộ số lần phóng điện đều tập trung vào cột thu sét, khu vực này đợc gọi là khu vực có xác suất 100% sét đánh vào cột. ở vị trí R h 35, , một phần số lần phóng điện sẽ hớng về phía mặt đất, các phóng điện này lệch hẳn so với đờng thẳng đứng và cách xa chân cột khoảng cách = r h16, , trị số r là bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao mặt đất. 1 3 1 Hình 18-2 Sơ đồ thí nghệm xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét. MEX- máy phát điện áp xung kích 1. Mô hình đầu tia tiên đạo. 2. Mô hình cột thu sét. 3. Tấm kim loại đợc nối đất. Hình 18-3 Xác định phạm vi bảo vệ của cột thu sét. MFX R R= 3,5h H h h r = 1,5h http://www.ebook.edu.vn Việc xác định bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao h x nào đó đợc tiến hành bằng cách dùng đoạn cột cao h x để thay cho vật cần đợc bao rvệ đặt cùng trong một mặt phẳng và cho xê dịch đối với nhau và đối với mô hình cột thu sét. ứng với mỗi vị trí của chúng sẽ cho phóng điện nhiều lần và xác định khoảng cách cực đại r x giữa hai vật cần đợc bảo vệ tới cột thu sét sao cho nó không bị phóng điện. Khoảng cách r x này sẽ là bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao h x . Số lần phóng điện ở mỗi vị trí của điện cực càng nhiều thì phạm vi bảo vệ xác định đợc sẽ càng chính xác và xác suất phóng điện vào vật đặt trong phạm vi baỏ vệ càng bé. Thờng xác định phạm vi bảo vệ với xác suất 0,1%( xác suất phóng điện vaò vật cần đợc bảo vệ). Đối với dây thu sét ( dây chống sét) điện cực và vật cần đợc bảo vệ sẽ di chuyển trong mặt phẳng thẳng góc với dây thu sét (hình 18-4). Kết quả thực nghiệm cho thấy phạm vi bảo vệ ở mức cao mặt đất có kích thớc h = 1,2h và khu vực có xác suất 100% phóng điện vào dây thu sét có nửa chiều rộng B = 2h. 1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (hình 18-5) là miền đợc giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đờng sinh xác định bởi phơng trình: () r h h hh x x x = + 16 1 , (18-1) Trong đó: h độ cao cột thu sét. r x bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao h x . h x độ cao của vật cần đợc bảo vệ. hh x độ cao hiệu dụng của cột thu sét. Để dễ dàng thuận tiện trong tính toán thiết kế, thờng dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hoá (hình 18-6). Đờng sinh của hình chóp có dạng đờng gẫy khúc, một trong các đoạn của nó - đoạn ab - là phần đờng thẳng nối đỉnh cột thu sét tới điểm trên mặt đất cách chân cột 0,75h còn đoạn kia - đoạn bc - là phần đờng thẳng nối giữa điểm cao 0,8h trên thân cột tới điểm Hình 18-4 Xác định phạm vi bảo vệ của dây thu sét. Hình 18-5 Phạm vi bảo vệ của cột thu sét. B 1 B = 2h H h b =1,2h r h http://www.ebook.edu.vn cách xa chân cột 1,5h. Từ hình vẽ có thể thấy, điểm b có độ cao 2 3 h ( bán kính bảo vệ ở các mức cao khác nhau đợc tính toán theo các công thức sau đây: Khi hhr h h xx x = 2 3 15 1 08 ;, , (18-2) Khi hhr h h xx x >= 2 3 075 1;, (18-3) Hình 18-6 Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. 1.Phạm vi bảo vệ dạng dơn giản hoá. .2.Phạm vi bảo vệ xác định theo (18-1) Các công thức trên chỉ dùng trong trờng hợp cột thu sét cao tới 30m. Hiệu quả ph của cột cao quá 30m có giảm sút đo độ cao định hớng của sét giữ hằng số. Co sthể dùng các công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p h = 55, và trên hình vẽ dùng các hoành độ: 0,75hp và 1,5hp. 2. Phạm vi bảo vệ của hai và nhiều cột thu sét. Phạm vi vảo vệ của hai cột thu sét có kích thớc lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi baỏ vệ của hai cột đơn. Nh trên đã thấy khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu sét có bán kính R = 3,5h. Nh vậy khi hai cột thu sét đặt cách nhau = 2R = 7h thì bất kỳ điểm nào trên mặt đất trong khoảng giữa hai cột sẽ không bị sét đánh, từ đó suy ra nếu hai cột thu sét đặt cách nhau khoảng cách < 7h thì sẽ bảo vệ đợc độ cao h 0 xác định bởi: a r x c b r x h x h 9 2 a 0,75h 1,5h 0,2h h Mặt bằng của phạm Vi bảo vệ ở mức cao h x http://www.ebook.edu.vn hh= 0 7 hoặc hh 0 7 = (18-4) Mặt cắt thẳng đứng đi qua hai cột thu sét của phạm vi bảo vệ cho trên hình 18-7. Hình 18-7 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét. Các phần bên ngoài giống nh của trờng hợp một cột còn phần bên trong đợc giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm: Hai đỉnh cột và điểm ở giữa có độ cao h 0 . 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 0 . Từ hai mặt cắt này có thể vẽ đợc mặt phẳng của phạm vi bảo vệ ở các mức cao khác nhau. 0 R 0,2h h 0,75h 1,5h a h o =h- 7 a h x r x 0 h x r ax h o 0,2h 0,75h 1,5h r ax r x http://www.ebook.edu.vn Mọi công trình cần bảo vệ an toàn bằng hai cột thu sét phải đợc nằm gọn trong phạm vi bảo vệ này nghĩa là có độ cao công trình hhh x = 0 7 và mặt bằng công trình đợc giới hạn trong mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở mức cao cao h x . Cách vẽ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao khác nhau đợc trình bày trên hình 18-8. Trớc tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao, sau đó qua đỉnh cột thấp vẽ đờng thẳng ngang gặp đờng sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở điểm 3; điểm này đợc xem là đỉnh của một cột thu xét giả định, nó sẽ cùng với cột thấp (cột 2) hành thành đôi cột có độ cao bằng nhau (h 2 ) với khoảng cách '. Khi công trình cần đợc bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng một vaì cột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho thi công, lắp ráp. Trong các trờng hợp này sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ (hình 18-9). Phần ngoài của phạm vi bảo vệ đợc xác định nh của từng đôi cột ( yêu cầu khoảng cách ah 7) . Không cần vẽ phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét mà chỉ kiểm tra điêù kiện bảo vệ an toàn. Vật ó độ cao h x nằm trong đa giác sẽ đợc bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện : () ax h8hh8D = (18-5) a) b) Hình 18-9 Mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở mức cao h x . Hình a- Dùnh 3 cột thu sét. Hình b- dùng bốn cột thu sét. trong đó: D- đờng kính vòng tròn ngoại tiếp của đa giác hình thành bởi các cột thu sét. Hình 18-8 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét cao không bằng nhau a a h 2 h 1 R 2 3 1 a 1 a 2 a 3 r 0x3 r 0x1 r 0x2 D 8h a 1 2 3 r x a 1 a 2 r x 1 2 3 4 D 8h a r 0x1 r 0x2 http://www.ebook.edu.vn hhh ax = độ cao hiệu dụng của cột thu sét là phần cột vợt cao hơn so với mức cao h x . Khi các cột thu sét bố trí bất kỳ, cần phải kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn cho từng cặp ba cột đặt gần nhau. Nếu độ cao cột vợt quá 30m, điều kiện bảo vệ (18-5) đợc hiệu chỉnh theo: () Dhhphp xa =88 (18-6) 3. Phạm vi bao rvệ của dây thu sét (dây chống sét). Phạm vi bảo vệ của dây thu sét nh hình 18-10. Mặt cắt thẳng đứng theo phơng vuông góc với dây thu sét của phạm vi bảo vệ đợc xác định tơng tự nh của cột thu sét có các hoành độ 0,6h và 1,2h. Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở mức cao h x cũng đợc tính theo các công thức tơng tự: Khi hh x f 2 3 : bh h h x x = 06 1, (18-7) Khi hh x 2 3 : bh h h x x = 12 1 08 , , (18-8) Do nửa chiều rộng của khu vực có xác suất 100% phóng điện vào dây đặt cách nhau s = 4h thì mọi điểm trên mặt đất nằm giữa hai dây này sẽ đợc bảo vệ an toàn và nếu khoảng cách s h< 4 thì có thể bảo vệ cho các điểm (giữa hai dây) có mức cao tới hh s 0 4 = . Phần bên ngoài của phạm vi bảo vệ đợc xác định nh trờng hợp một dây còn phần bên trong đợc giới hạn bởi vòng cung vẽ qua ba điểm: Hai điểm treo dây thu sét và điểm giữa có độ cao hh s 0 4 =( hình 18-11). Hình 18-10 Phạm vi bảo vệ của dây thu sét. Hình 18-11 Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét. 1,2h 0,6h 2b x h x b x h 0,2h Dây thu sé t s 1,2h 0,6h b x 0,2h h h x 4 s hh 0 = R http://www.ebook.edu.vn Dây thu sét thờng đợc dùng để bảo vệ chống sét cho đờng dây điện cao áp. Vì độ treo trung bình của dây dẫn thờng lớn hơn 2 3 độ treo cao của dây thu sét ( tỷ lệ h h x bằng khoảng 0,8) nên có thể không cần đề cập tới phạm vi bảo vệ mà biểu thị bằng góc bảo vệ (hình 18-12) là góc giữa đờng thẳng đứng với đờng thẳng nối liền dây thu sét và dây dẫn. Có thể tính toán đợc trị số giới hạn của góc là 31 o ( tg = 0,6) và thực tế thờng lấy khoảng 20 ữ15 o . Đ18-3. Các yêu cầu kỹ thuật khi dùng hệ thống thu sét bảo vệ chống sét đánh thẳng. 1. Công trình cần bảo vệ an toàn phải đợc nằm gọn trong phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét. Hệ thống này có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt cách ly tuỳ thuộc vào hoàn cảnh và điều kiện cụ thể. Đặt hệ thống thu sét ngay trên công trình có u điểm là tận dụng đợc phạm vi bảo vệ do đó giảm độ cao của hệ thống thu sét, ví dụ nh đặt kim thu sét trên xà trạm biến áp hoặc treo dây chống sét trên cột điện. Nhng khi có phóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên phần điện cảm thân cột, trị số điện áp này khá lớn và có thể gây nên phóng điện ngợc từ hệ thống thu sét tới các bộ phận mang điện nếu cách điện giữa chúng không chịu nổi. Do đó điều kiện đặt hệ thống thu sét trên các công trình có mang điện là phải đảm bảo có mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất bé. Đối với trạm biến áp và đờng dây điện áp 110kV trở lên, các yêu cầu trên đợc thực hiện tơng đối dễ dàng, ở các cấp điện áp thấp hơn việc đặt hệ thống thu sét trên công trình sẽ gặp nhiều khó khăn và không hợp lý về kinh tế kỹ thuật, cho nên trong các trờng hợp này hệ thống thu sét đợc đặt cách ly với công trình. Hình 18-12 Dùng dây chống sét bảo vệ đờng dây điện cao áp. Hình 18-13 Xác định khoảng cách an toàn trong đất và trong không khí giữa hệ thống thu sét và công trình. s đ s k h l s 4 s h = h http://www.ebook.edu.vn Khi đặt cách ly giữa chúng cũng phải có khoảng cách nhất định, nếu khoảng cách này quá bé thì vẫn có khả năng phóng điện trong không khí cũng nh trong đất từ hệ thống thu sét tới công trình và nh vậy cũng không kém nguy hiểm so với khi có sét đánh thẳng vào công trình. Điện áp tại điểm trên thân cột cách bộ phận nối đất đoạn dài l (hình 18-13) đợc tính theo công thức: UIR L di dt sxk s tr b 1 =+ . (18-9) trong đó: I s biên độ dòng điện sét, kA. L điện cảm của phần dây nối dài l H , . R xk điện trở nối đất xung kích của bộ phận nối đất, . di dt s tr b . độ dốc trung bình của phần đầu sóng dòng điện sét (lấy theo dạng sóng xiên góc), kA s / . Trong tính toán thờng lấy I s = 150 và di dt s tr b = . 30 kA s / . Đối với cột thu sét kim loại có kết cấu kiểu mạng lới hoặc khi dây nối đất đặt riêng, trị số điện cảm theo đơn vị dài có trị số LHm 0 17= ,/ . Nh vậy có thể tính đợc: URl xk1 150 50= + và điện áp trên bộ phận nối đất bằng: UIR R d s xk xk = = 150 Chúng có thể đạt đợc các trị số rất lớn, ví dụ khi R xk = 10 và l m= 10 thì UkV 1 2000 = và UkV d = 1500 . Do đó để không thể xảy ra phóng điện từ hệ thống thu sét tới công trình, các khoảng cách không khí ()s k và khoảng cách trong đất ()s d phải đủ lớn để có mức cách điện không thấp hơn so với các trị số điện áp nói trên. Cờng độ cách điện xung kích của không khí thờng lấy bằng 500kV/m và trị số trờng phóng điện trong đất lấy bằng 300kV/m, từ đó suy ra các khoảng cách an toàn (tính bằng mét): s U Rl kxk >= + 1 500 03 01,, (18-10) s U R d d xk >= 300 05, (18-11) Có thể xuất phát từ các điều kiện an toàn trên để xác định đienẹ trở nối đất của hệ thống thu sét hoặc khi bộ phận nối đất đã có sẵn, sẽ căn cứ vào đó để kiểm tra khả năng phóng điện ngợc. 2. Phần dẫn điện của hệ thống thu sét ( của bộ phận thu nhận sét và của dây nối đất) phải có đủ tiết diện để thoả mãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua. http://www.ebook.edu.vn Do thời gian tồn tại của dòng điện rất ngắn nên trong tính toán phát nóng có thể bỏ qua tản nhiệt vào môi trờng chung quanh và nếu điện trở của phần dẫn điện theo đơn vị dài là r thì năng lợng phát nóng của dòng điện sét sẽ bằng: Wridt s = 2 0 Nh trên đã phân tích, trong trờng hợp này dạng sóng tính toán hợp lý là dạng sóng hàm số mũ: iIe Ie ss t T s t s == 07, ( s độ dài sóng 0,7T) Nh vậy: WrIe dtrI ss s s = = 07 2 2 0 14 , , Nhiệt độ phát sóng của phần dẫn điện đợc xác định theo công thức: t W gSC I gCS o ss == 2 2 14, ở đây: g mật độ của vật liệu dẫn điện. C nhiệt dung trung bình của vật liệu. S tiết diện của phần dẫn điện. điện trở suất của vật liệu. Lấy biên độ dòng điện IkA s = 150 và độ dài sóng s s = 100 (do có sét đến phát nóng phụ của các phần phóng điện kế tiếp), phần dẫn điện thờng dùng thép nên có ggcmCcalgC o ==78 01 3 ,/ , , và trị số trong phạm vi nhiệt độ 0400 ữ o C bằng 310 5 cm với các số liệu trên sẽ tính đợc nhiệt độ phát nóng. t S o = 13 4 2 , Dây thép có tiết diện 25 mm 2 sẽ bị phát nóng tới nhiệt độ t C oo = 215 nh vậy là hoàn toàn cho phép ngay cả khi đặt nó dọc theo gỗ. Nhng với mục đích nâng cao độ bền cơ khí và tăng thời gian sử dụng thờng chọn tiết diện 50 2 mm trở lên ( thép tròn 8 ). Để chống ăn mòn, phần dẫn điện cần đợc sơn hoặc tráng kẽm và không nên dùng loại dây xoắn. Các mối nối dọc theo mạch điện của hệ thống thu sét phải đảm bảo có tiếp xúc tốt, nếu không tại các nơi này có thể quá nóng hoặc có phóng điện tia lửa (thờng dùng phơng pháp hàn điện hoặc nối bulông mà không đợc dùng các cách buộc xoắn thông thờng).