Luận văn:Chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích

Chia sẻ: Nhung Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

108
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Điện tích là một nguồn điện trường mà qua đó mọi lực tác dụng của điện tích lên các điện tích bất kỳ khác theo tỷ lệ là nghịch đảo của bình phương khoảng cách giữa chúng (1/r^2). - Một điện trường bên ngoài sẽ đặt lên một số điện tích đi vào. - Các điện tích có sự chuyển động liên quan với từ trường cũng có ảnh hưởng. Lực Lorentz kết hợp các hiệu ứng điện và từ đối với điện tích như sau:...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn:Chống sét bằng phương pháp chuyển dịch điện tích

1 2 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: PGS. TS. LÊ KIM HÙNG NGUY N TR N HUỲNH Ph n bi n 1: PGS.TS. NGÔ VĂN DƯ NG CH NG SÉT B NG PHƯƠNG PHÁP CHUY N D CH ĐI N TÍCH Ph n bi n 2: TS. NGUY N BÊ Chuyên ngành: M NG VÀ H TH NG ĐI N Mã s : 60.52.50 Lu n văn ñư c b o v t i H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 27 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T tháng 10 năm 2012. Có th tìm hi u lu n văn t i: Đà N ng - Năm 2012 - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng. - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng.
3 4 M Đ U Phương pháp ch ng sét truy n th ng trong nhi u năm qua ñã Dông sét là hi n tư ng th i ti t kèm theo s m, ch p x y ra. ch ng t kh năng b o v c a nó, tuy nhiên ñ i v i yêu c u cao như Cơn dông ñư c hình thành khi có kh i không khí nóng m chuy n hi n nay (các thi t b ñi n t , nhà máy h t nhân, kho ñ n dư c…) thì ñ ng thăng. Cơn dông có th kéo dài t 30 phút ñ n 12 gi và có th nh ng như c ñi m nêu trên s có th gây thi t h i khôn lư ng. tr i r ng t vài ch c ñ n vài trăm km. Trong 4 th p niên g n ñây, do bùng n công ngh vi m ch 1. LÝ DO CH N Đ TÀI ñi n t và máy tính, thì sét c m ng (thư ng ñư c g i là nh hư ng Sét ñã gây thi t h i r t l n cho nhi u ngành, c l n v v t th hai c a sét) tr thành v n ñ ñư c quan tâm hàng ñ u trong các ch t và con ngư i. Do ñó vi c phòng ch ng sét tr thành v n ñ b c công trình hi n ñ i. Dòng ñi n sét t o ra m t t trư ng r t m nh xung bách cho nhi u ngành và ñư c r t nhi u ngư i quan tâm. Đ tài quanh h th ng dây d n thoát sét t c c ti p sét ñ n c c ti p ñ t, hình nghiên c u này nh m tìm ra gi i pháp t i ưu ñ b o v các công trình thành nên nh ng ñi n áp có biên ñ l n trong kho ng th i gian r t bé, trư c các tác h i do dông sét gây ra. ñã phá h y hay làm h ng hóc nhi u thi t b ñi n t nh y c m ñư c B o v các công trình b ng cách ngăn không cho các tia sét l p ñ t lân c n ñó. Vi c ngăn c n các tia sét ñánh vào các công trình ñánh tr c ti p x y ra, không ph i là ý tư ng hoàn toàn m i. Nó chính là m t trong s nh ng bi n pháp lo i b ñư c nh ng hư h ng cho là ý tư ng nguyên th y c a Franklin: phân tán ñi n tích c a các ñám thi t b ñi n t do các nh hư ng th hai c a sét. mây bão b ng cách l p ñ t các c c nh n b ng s t, các c c s t này d n Hi n nay, t i các nư c tiên ti n trên th gi i ngư i ta ñang ñư c hoàn toàn dòng ñi n tích ñi kh i khu v c có th gây ra tia sét. ng d ng thi t b ch ng sét s d ng phương pháp chuy n d ch ñi n Trong su t 250 năm qua các c c d n sét Franklin ñã thành tích và ñã thu ñư c nh ng thành công to l n trong vi c ngăn ng a sét công trong vi c b o v các công trình kh i các hư h ng do sét gây ra. ñánh tr c ti p vào các công trình quan tr ng. Tuy nhiên, th c nghi m cho th y h Franklin không cho hi u qu Vi t Nam hi n nay thi t b này ñã có m t trên th trư ng. ch ng sét 100%, tuy sét ñánh vào kim thu sét nhi u hơn và hi u qu Tuy nhiên chúng ta chưa có m t h th ng lý thuy t hoàn ch nh v c a phương pháp ch ng sét là khá t t, song nhi u k t qu th c công ngh này cũng như các phương pháp, công th c ñ tính toán, nghi m cho th y sét có th b qua kim thu sét mà ñánh tr c ti p vào thi t k h th ng ch ng sét này. Đây là m t công ngh r t m i, n u công trình m c dù kim thu sét ñư c thi t k r t cao. Ngay c khi sét nghiên c u thành công thì kh năng ng d ng r t cao và có th s ñánh vào kim thu sét thì dây n i ñ t v n không hi u qu cho vi c d n thay th công nh ch ng sét cũ ñ b o v cho các công trình quan các thành ph n t n s cao c a tia sét khi có các v t kim lo i g n. tr ng Vi t Nam. Các công trình có ch a các thi t b nh y c m v i sét như các thi t b Trên ñây là các lý do ñ tôi quy t ñ nh ch n ñ tài nghiên ñi n t s b h ng hóc. Đ i v i các thi t b nh y c m này c n ph i có c u này. nh ng thi t b ch ng sét chuyên d ng.
5 6 2. Đ I TƯ NG VÀ PH M VI NGHIÊN C U 4. B C C LU N VĂN 2.1 Đ i tư ng nghiên c u Ngoài ph n m ñ u và k t lu n chung, n i dung c a ñ tài H th ng ch ng sét s d ng phương pháp chuy n d ch ñi n ñư c biên ch thành 4 chương: tích Chương 1: Tình hình dông sét Vi t Nam và các phương 2.2 Ph m vi nghiên c u pháp phòng ch ng sét Nghiên c u thi t h th ng ch ng sét chuy n d ch ñi n tích Chương 2: Ch ng sét b ng phương pháp chuy n d ch ñi n CTS (Charge Transfer System), c th là tính toán thi t k h th ng tích. ti p ñ a, dây d n và b t o ion. Tính toán s ñ nh nh n c n thi t c a Chương 3: Phân tích hi u qu ch ng sét c a CTS. b t o ion ñ trung hòa ñi n tích c m ng trên m t ñ t. T o l p ñi n Chương 4: Tính toán thi t k h th ng ch ng sét s d ng tích không gian gi a ñám mây và công trình c n b o v ñ làm gi m phương pháp chuy n d ch ñi n tích. cư ng ñ ñi n trư ng ñ n m t tr s t i thi u ñ không còn kh năng CHƯƠNG 1 phóng ñi n sét xu ng công trình c n b o v . TÌNH HÌNH DÔNG SÉT VI T NAM VÀ 3. Ý NGHĨA KHOA H C VÀ TÍNH TH C TI N C A Đ TÀI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CH NG SÉT 3.1 Ý nghĩa khoa h c 1.1 TÌNH HÌNH DÔNG SÉT VI T NAM - T ng h p m t cách hoàn ch nh lý thuy t v dông sét Vi t Nam là nư c n m tâm dông Châu Á, m t trong ba tâm - ng d ng phương pháp tính toán m i ñ b o v ch ng sét dông trên th gi i có ho t ñ ng dông sét m nh. Mùa dông Vi t cho công trình Nam tương ñ i dài b t ñ u t tháng 4 và k t thúc vào thánh 10 hàng - ng d ng lý thuy t trong lĩnh v c công nghi p ñi n t và năm. S ngày dông trung bình kho ng 100 ngày/năm và s gi dông ch t o áp d ng ñ ch ng sét cho công trình xây d ng. trung bình kho ng 250 gi /năm. Vi t Nam có kho ng 2 tri u cú sét 3.2 Ý nghĩa th c ti n ñánh xu ng ñ t trong 1 năm. Theo s li u th ng kê chưa ñ y ñ c a - M c tiêu nghiên c u c a ñ tài xu t phát t th c t , tình Vi n V t lý Đ a c u th c hi n năm 2004. C nư c có 820 v sét ñánh hình ph c t p c a dông sét Vi t Nam. nh hư ng c a sét c m ng gây thi t h i nhi u t ñ ng, làm gián ño n d ch v vi n thông, ñi n ñ i v i các công trình có các thi t b ñi n t nh y c m. Do ñó k t qu l c… s có ý nghĩa th c ti n và có th áp d ng vào th c t . 1.2 S HÌNH THÀNH DÔNG SÉT - Có kh năng ng d ng r t cao, có th ng d ng ñ thay th S hình thành c a dông : m t ñi m ñánh th ng và ñám mây h th ng ch ng sét c ñi n ñ b o v cho các công trình quan tr ng b t ñ u g i các ñi n tích ñi xu ng thông qua ñư ng ion hóa khí - Nâng cao kh năng b o v c a công trình trư c tác h i c a quy n g i là tiên ñ o v ch. Nhi u tiên ñ o v ch b t ñ u truy n xu ng sét ñ t theo nhi u hư ng, tìm ki m ch ñi n tích ñ t tích t l n nh t
7 8 trong khu v c. Các ñi n tích này d ch chuy n t ng bư c kho ng 1.3.3 Giai ño n 3: Giai ño n k t thúc 50m, d ng l i, tìm ki m ñi n th t t nh t, sau ñó l i d ch chuy n ti p. Khi kênh phóng ñi n chính lên ñ n ñám mây dông, các ñi n Các bư c và các hư ng d ch chuy n này làm cho sét có d ng hình tích c m ng t m t ñ t lên theo, tràn vào và trung hòa các ñi n tích răng cưa. trái d u trong ñám mây, các ñi n tích âm còn th a trên ñám mây s 1.3 CÁC GIAI ĐO N PHÓNG ĐI N SÉT theo kênh phóng ñi n ch y xu ng m t ñ t, dòng sét có giá tr gi m 1.3.1 Giai ño n 1: Giai ño n phóng ñi n tiên ñ o d n.[1] Dư i tác d ng c a ñi n trư ng c a ñi n tích âm trên ñám 1.4 CÁC D NG PHÓNG ĐI N SÉT mây và trong kênh tiên ñ o vùng ñ t bên dư i s có s t p trung các D a trên th c t , phóng ñi n sét ñư c phân thành các d ng ñi n tích c m ng trái d u. V trí t p trung ñi n tích c m ng có th sau ñây: ngay bên dư i ñám mây hay nh ng nơi có ñi n d n cao. Trong giai - Phóng ñi n bên trong ñám mây ño n ñ u hư ng phát tri n c a các tia tiên ñ o là ng u nhiên tuân th - Phóng ñi n sét mây – ñ t theo nguyên t c là phát tri n theo hư ng có cư ng ñ ñi n trư ng cao - Phóng ñi n mây - mây nh t 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CH NG SÉT Khi kênh tiên ñ o ñ t ñ n m t ñ cao nh t ñ nh, g i là ñ cao 1.5.1 Phương pháp dùng l ng Faraday ñ nh hư ng, thì hư ng phát tri n c a tia tiên ñ o s ch u nh hư ng Là l ng kim lo i bao kín khu v c b o v . Theo lý thuy t c a các v t bên dư i m t ñ t nơi có s t p trung ñi n tích c m ng sóng ñi n t thì ñây là phương pháp lý tư ng ñ phòng ch ng sét. cao. Do ñó v trí ñ b c a dòng sét có tính ch n l c. 1.5.2 Ch ng sét theo phương pháp c ñi n 1.3.2 Giai ño n 2: Giai ño n phóng ñi n chính hay phóng ñi n 1.5.2.1 Kim thu sét Franklin ngư c Vào năm 1752 nhà khoa h c ngư i M Benjamin Franklin ñã Khi kênh tiên ñ o xu t phát t ñám mây dông ti p c n m t phát hi n ra nguyên t c ch ng sét cơ b n này. V c u t o bao g m ñ t hay kênh tiên ñ o ngư c. Cư ng ñ ñi n trư ng trong kho ng các b ph n sau: cách khí tăng cao gây ion hóa mãnh li t không khí d n ñ n s hình + Kim thu sét thành dông plasma m i. Các ñi n tích c m ng dư i m t ñ t tràn lên + C t g n kim thu sét trung hòa các ñi n tích trong kênh tiên ñ o t ñám mây. Các ñi n tích + Dây d n truy n năng lư ng sét xu ng ñ t c m ng này ti p t c ñi theo ñư ng c a phóng ñi n tiên ñ o ban ñ u, + B ph n n i ñ t ti p t c hư ng lên ñám mây, hình thành nên kênh phóng ñi n chính 1.5.2.2 Đai và lư i thu sét Đai và lư i thu sét dùng ñ ch ng sét ñánh th ng có th làm b ng thép d t hay tròn ti t di n không ñư c nh hơn 35 mm 2 . Đai và
9 10 lư i cho phép ñ t bên dư i l p ch ng th m hay l p cách nhi t c a m t ph n dòng ñi n sét ch y vào các thi t b nh y c m. Đ ng th i nó. khi dòng sét ch y trên cáp thoát sét s gây ra nh hư ng th c p (c m 1.5.2.3 Dây thu sét ng). Xung quanh dây d n thoát sét hình thành nh ng ñi n áp biên Dây thu sét ñư c dùng ñ b o v nh ng công trình có d ng ñ l n trong th i gian r t bé có th làm h ng các thi t b ñi n t nh y h p và kéo dài, c th như các ñư ng dây d n ñi n trên không, có c m. chi u dài ñáng k . CHƯƠNG 2 1.5.3 Ch ng sét theo phương pháp phi c ñi n CH NG SÉT B NG PHƯƠNG PHÁP 1.5.3.1 H th ng phát x s m CHUY N D CH ĐI N TÍCH Đó là các lo i kim thu sét có ñ c tính phát ra dòng m i khá 2.1 CƠ S LÝ THUY T CHUY N D CH ĐI N TÍCH s m khi ñi n trư ng khí quy n chưa ñ t ñ n tr s t i h n nghĩa là nó 2.1.1 Lý thuy t phóng ñi n ñi m ch ñ ng ñón b t dòng phóng ñi n sét m t ñi m nào ñó trong Phương pháp phân tán ñi n tích s d ng nguyên lý c a lý không gian cách xa công trình mà nó b o v . thuy t phóng ñi n ñi m, còn g i là phân tán ho c gi m nh s tích 1.5.3.2 H th ng ch ng sét b ng phương pháp chuy n d ch ñi n lũy các ñi n tích tĩnh. Phương pháp này ch y u s d ng trong các tích (CTS) ngành công nghi p ñi n t và ch t o ñ ki m tra s tích lũy các ñi n H th ng chuy n d ch ñi n tích nh m ngăn ng a s hình tích tĩnh có th gây nhi u ho c gây nguy hi m ñ i v i các t h p ñi n thành tia sét. Khác v i h th ng ch ng sét tr c ti p dùng ñi n c c t nh y c m, nó ñã ñư c công nh n và s d ng r ng rãi v i s thành Franklin hay ñi n c c phát x s m, h th ng này ch ng sét b ng cách công to l n. M c ñích duy nh t c a s n ph m phân tán tĩnh ñi n là liên t c gi m cư ng ñ ñi n trư ng gi a m t ñ t và ñám mây dông gi m nh s tích lũy ñi n tích, do ñó ngăn ng a h quang ñi n ho c xu ng dư i kh năng xu t hi n tia tiên ñ o do ñó không x y ra sét. dòng ñi n có th gây nguy hi m. H th ng chuy n d ch ñi n tích ho t ñ ng theo nguyên lý Phương pháp này ñư c áp d ng ñ ch ng sét cho các công phóng ñi n ñi m d a trên hi n tư ng corona, v i hàng nghìn ñi m trình b ng cách ch t o s n ph m có th l p ñ t trên các công trình nh n b ng kim lo i t o ra ion bên trên h th ng và ngăn ng a s hình xây d ng ñ gi m nh s tích lũy ñi n tích trong ñ t. thành tiên ñ o sét. 1.6 K T LU N Qua chương 1 chúng ta th y r ng ñ i v i các thi t b ñi n t nh y c m thì nh hư ng c a dòng ñi n sét và ñi n áp c a nó gây ra là r t l n. Đ i v i hai h th ng ch ng sét dùng h Franklin và h th ng phát x s m s có dòng sét ch y trên h th ng thoát sét và có th có Hình 2.1: Phóng ñi n ñi m Hình 2.2: Đi n c c phân tán
11 12 2.1.2 S phân ph i ñi n tích do s d ch chuy n các ñi n tích b c m ng trong ñ t lên b t o ion M t ñi m riêng l ñơn ñ c, ví d trên m t kim thu sét ñ t b ng con ñư ng ng n nh t. ñư c m t ñi m b o hòa nó cũng không th phân tán ñi n tích v i m t 2.3 N I DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN t c ñ ñ nhanh và không gi m ñư c s tích t ñi n tích. Các vùng Đi n tích dương ch y u t p trung ñ nh c a ñám mây, ñi n này khi ñó tr thành các ñi m t o ra các tia ngư c, do ñó s thu hút tích âm t p trung ñi m ñáy c a ñám mây. Và m t lư ng ñi n tích sét ñánh vào chúng. dương c c b n m v trí th p hơn v trí c a ñi n tích âm m t chút. Khi quy trình này ñư c m r ng ra v i hàng ngàn ñi m trong Trư ng ñi n tích t i m t ñ t ñư c tính theo công th c:[4] m t ñi n c c phân tán (hình 2.2) s tiêu tán các ion s ñư c m r ng 2Qpos H pos 2Qneg Hneg 2qposhpos E0 = − 3 + 3 − 3 (2.3) nhi u l n so v i m t ñi m ñơn l . K t qu là các ñi n tích trên m t 4πε0 (H pos + D ) 4πε0 (H neg + D ) 4πε0 (h pos + D ) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ñ t b trung hòa và không ñ năng lư ng ñi n có kh năng thu hút sét n a. Không hình thành tia ngư c, các tiên ñ o phân c p s tìm m c ñây: ε 0 là ñ ñi n th m chân không tiêu khác tr i hơn.[11] Qpos và Qneg là ñi n tích dương và âm c a ñám mây bão 2.2 MÔ HÌNH H TH NG CH NG SÉT CHUY N D CH qpos là ñi n tích dương n m dư i c a ñám mây bão ĐI N TÍCH Hpos, Hneg, và hpos là chi u cao c a các lo i ñi n tích tương ng H th ng ch ng sét chuy n d ch ñi n tích bao g m các b ph n so v i m t ñ t và D là kho ng cách theo chi u ngang tính t m t sau: ñi m t i m t ñ t ñ n ñi m g n nh t c a ñám mây bão mang ñi n tích, - B t o ion: D a trên nguyên lý phóng ñi n ñi m, ñư c ch Dư i các nh hư ng c a trư ng ñi n t tăng lên m t cách ñ t t o b ng v t li u thép không r có hàng nghìn ñi m nh n. bi n, vi c ion hoá vùng không khí xung quanh các ñi m nh n tăng lên - B t p trung ñi n tích trong ñ t: Đư c làm b ng dây ñ ng m t cách nhanh chóng, d n ñ n vi c hình thành vùng không gian ñi n tích và các c c s t ti p ñ t. ph i ñ m b o thu hút h t các ñi n tích xu t dương xung quanh các ñi m nh n. S xu t hi n c a m t lư ng ñi n tích hi n trên m t ñ t b nhi u ñi n do các ñám mây dông tích ñi n t o ra. ph g n v i m t ñ t làm thay ñ i ñi n trư ng t ng E0. M t lư ng ñi n tích Khi các ñi n tích d ch chuy n vào vùng b o v , nó ñư c b t p trung m i ñư c chèn vào ñi n trư ng t ng, mà nguyên nhân chính là do s hi n ñi n tích d n lên b t o ion. di n c a ñi n tích không gian qsc, phương trình (2.3) ñư c vi t l i thành - Dây d n ñi n tích: Ph i ñ m b o có ñi n tr th p ñ d n các phương trình (2.4). Phương trình này có th ñư c s d ng ñ tính toán giá ñi n tích t b t p trung ñi n tích trong ñ t ñ n b t o ion. Dây d n tr m i c a trư ng ñi n tĩnh v i s hi n di n c a ñi n tích dương thêm vào ñi n tích trong h th ng phân tán ñi n tích khác v i dây thoát sét qsc t i ñ cao hsc so v i m t ñ t. 2QosHpos 2Q Hneg 2qposhpos 2qschsc trong h th ng thu lôi Franklin là ñ d n dòng ñi n có cư ng ñ th p E =− 0 p 3 + neg 3 − 3 − 3 (2.4) 4πε0(H2pos +D )2 4πε0(H2neg +D2)2 4πε0(h2pos +D2)2 4πε0(h2sc +D2)2 2
13 14 Vi c tính toán trư ng ñi n t t i m t ñ t theo phương trình CHƯƠNG 3 (2.4) ñư c xem là chưa h p lý trong m t s trư ng h p kh i ñ u cho PHÂN TÍCH HI U QU CH NG SÉT C A CTS bư c phóng ñi n sét. Vì v y, phương trình (2.4) ph i ñư c thay ñ i, b ng cách ph i tính ñ n thành ph n ñi n tích âm Qneg, ñang di chuy n 3.1 S TƯƠNG TÁC GI A KÊNH SÉT VÀ CTS xu ng. Qneg có th ñư c xác ñ nh t i các th i ñi m trong quá trình Ph n này trình bày tính toán ñi n trư ng t ng t i m t ñ t là kh i ñ ng phóng ñi n sét và ñư c tính theo phương trình (2.4): k t qu c a s tương tác gi a tiên ñ o b c di chuy n theo chi u d c ∆Qneg = ρ s1 ( H neg + H T ) ho c ∆Qneg = ρ s1 ( H neg + v * t ) (2.5) xu ng dư i và không gian ñi n tích ñư c t o ra b i CTS. ñây ρ sl là m t ñ ñi n tích phóng ñi n sét (gi thi t là 1 3.1.1 Mô t c a kênh sét và gi ñ nh Đ ñơn gi n cho vi c tính toán lư ng ñi n tích này ñư c b h ng s ), HT là ñ cao c a ñi m b t ñ u phóng ñi n sét t i th i ñi m qua. Các d li u trung bình ñi n hình cho ñ l n ñi n tích và chi u t, và v là t c ñ trung bình c a tia phóng ñi n sét. cao c a các kh i ñi n tích ñư c th hi n trong b ng sau : Thay vào phương trình (2.4), ta s có phương trình (2.6) ñ B ng 3.1 : D li u trung bình c a ñám mây dông m t s qu c gia tính E0 và Ep: trên th gi i 2Qpos H pos 2(Qneg −∆Qnes )Hneg 2qposhpos Country Qpos, C Hpos, m Qneg, C Hneg, m E0 = − 3 + 3 − 3 4πε0 (H 2 pos + D2 )2 4πε0 (H 2neg + D2 )2 4πε0 (h2 pos + D2 )2 S.Africa +40 10000 -40 5000 (2.6) England +24 6000 -20 3000   2qschsc 2ρ1s  1 1  − +  − 1 Japan +120 8500 -120 6000 3 4πε0 1 4πε0 (h2sc + D2 )2  (D2 + HT 2 )2 (H 2neg + D2 )2    Vi c phân ph i ñi n tích d c theo chi u dài tia tiên ñ o cũng ñư c gi ñ nh. V i m t ñ ñi n tích c th 1mC/m, 1.5mC/m, 2mC/m 2.4 K T LU N tiên ñ o b c thì ñi n tích âm trong ñám mây dông gi m xu ng 5C, Qua nghiên c u ch ng sét b ng phương pháp chuy n d ch 7.5C, 10C tương ng (gi s không có phân nhánh) ñi n tích chúng ta nh n th y r ng: ñi m k thu t chính y u ñ thi t k Chi u cao c a CTS ñư c gi ñ nh b ng 20m. Trong tính toán m t h th ng ngăn c n các tia sét ñánh tr c ti p vào m t vùng c n này, ñ l n c a cư ng ñ ñi n trư ng ñ ñ ñánh th ng kho ng cách ñư c b o v là vi c tính toán s ñ nh nh n và d ng hình h c c a không khí liên t c ñư c gi ñ nh b ng 500kV/m. chúng ñ t o ra ñi n tích không gian che ch n cho ki n trúc c n ñư c 3.1.2 S tương tác gi a kênh sét và CTS b ov . Cư ng ñ ñi n trư ng t ng t i m t ñ t ñư c tính theo bi u th c sau ñây: Etotal = − E+ Q + E− Q + Eleader − ∆E− Q − ECTS (3.1)
15 16 Trong ñó: Đi n tích âm suy gi m ∆Q− do ch y vào tia tiên ñ o ñư c E+ Q : cư ng ñ ñi n trư ng t o ra b i các ñi n tích dương tính như sau: E− Q : cư ng ñ di n trư ng t o ra b i các ñi n tích âm ∆Q− = ρ vt , [C] (3.4) Eleader : cư ng ñ ñi n trư ng t o ra b i tia tiên ñ o b c, 3.1.3 Tính toán minh h a ∆E− Q : cư ng ñ ñi n trư ng suy gi m b i các ñi n tích âm Nh m minh h a cho hi u qu ch ng sét c a phương pháp ch y vào tia tiên ñ o chuy n d ch ñi n tích. Chúng ta gi ñ nh thông s c a kênh sét như ECTS : cư ng ñ ñi n trư ng t o ra b i ñi n tích không gian sau: c a CTS, [kV/m] - T c ñ di chuy n tia tiên ñ o là 1m/ µ s Công th c t ng quát ñ tính các cư ng ñ ñi n trư ng thành - M t ñ ñi n tích c a tia tiên ñ o cho các trư ng h p ph n E+ Q , E− Q , ∆E− Q , ECTS như sau : 1mC/m, 1.5mC/m, 2mC/m. 2Q D a theo các thông s gi ñ nh trên, chúng ta ti n hành tính E= , [kV/m] (3.2) 4πε 0 H 2 toán s tương tác c a kênh sét ñ i v i kim thu sét và CTS ñ th y Trong ñó : ñư c s hi u qu c a CTS so v i kim thu sét trong v n ñ ngăn ch n s phát sinh tia sét. Có hai thi t b ch ng sét ñư c dùng ñ tính toán Q : ñi n tích, [C] là kim thu sét (m t ñi m nh n) và h th ng CTS có 10000 ñi m H : chi u cao c a ñi n tích Q, [m] nh n. 1 = 9.10 6 Các k t qu tính toán ñư c hi n th khi cho tia tiên ñ o gi m 4πε 0 d n ñ cao t 50m ñ n 30m so v i m t ñ t. Các d li u dùng ñ tính Thành ph n cư ng ñ ñi n trư ng Eleader t o ra b i tia tiên toán là các d li u ñư c ño t i Nam phi theo b ng 3.1, ñ o ñư c tính theo công th c: Qua các k t qu trong các b ng ta nh n th y r ng: Đ i v i kim thu sét, khi tia tiên ñ o di chuy n càng ñ n g n m t ñ t thì cư ng ρ 1 1 Eleader = [ − ] , [kV/m] (3.3) ñ ñi n trư ng t ng t i khu v c ñó tăng lên r t l n. khi tia tiên ñ o 4πε 0 ( H − Q − vt ) H −Q còn cách m t ñ t 30m thì cư ng ñ ñi n trư ng t ng t i khu v c ñó Trong ñó: ñã vư t quá 500kV/m và tia sét ñánh tr c ti p vào kim thu sét s x y ρ : m t ñ ñi n tích tia tiên ñ o, [C/m] ra. H − Q : chi u cao c a ñi n tích âm, [m] Ngư c l i, khi thay th kim thu sét b ng h th ng chuy n v: t c ñ di chuy n c a tia tiên ñ o, [m/s] d ch ñi n tích (CTS) v i 10000 ñi m nh n thì khi tia tiên ñ o càng t: th i gian di chuy n c a tia tiên ñ o, [s] xu ng g n m t ñ t d n ñ n cư ng ñ ñi n trư ng do ñám mây gây ra
17 18 tăng lên. Lúc này CTS càng phát x ñi n tích dương m nh hơn và CHƯƠNG 4 làm gi m cư ng ñ ñi n trư ng t ng t i khu v c ñó. Theo k t qu TÍNH TOÁN THI T K H TH NG CH NG SÉT S trong các b ng 3.5, b ng 3.6, b ng 3.7 thì cư ng ñ ñi n trư ng t ng D NGPHƯƠNG PHÁP CHUY N D CH ĐI N TÍCH gi m xu ng th p hơn ngư ng 500kV/m r t nhi u nên vi c sét ñánh tr c ti p vào khu v c ñư c b o v không th x y ra. H th ng ch ng sét chuy n d ch ñi n tích bao g m các b 3.2 NH HƯ NG C A S LƯ NG ĐI M NH N Đ N ĐI N ph n: B t p trung ñi n tích trong ñ t (H th ng n i ñ t), b t o ion ÁP PHÓNG ĐI N. và dây d n ñi n tích. B ng 3.8: Quan h gi a s ñi m nh n và ñi n áp phóng ñi n 4.1 CÁC BƯ C TÍNH TOÁN THI T K CTS S lư ng ñi m nh n N Đi n áp phóng ñi n (kV) Đ tính toán thi t k h th ng ch ng sét theo phương pháp 1 148.5 chuy n d ch ñi n tích ta ti n hành các bư c sau: 250 157.5 4.1.1 Tính toán thi t k b t p trung ñi n tích trong ñ t: 500 166.5 Đi n tr c a b t kỳ ñi n c c R1 có th ñư c ư c tính theo 750 174 công th c:[6] 1000 184 ρ 29.2608 L R1 = ln −1 (4.2) 3.3 K T LU N 0.583692 L d Trong chương này ta ñã tìm hi u và tính toán minh h a ñ Trong ñó: ch ng minh s hi u qu c a phương pháp ch ng sét chuy n d ch ñi n ρ là ñi n tr su t c a ñ t [ Ωm ] tích. Qua các k t qu tính toán ta nh n th y r ng: L là chi u dài ñi n c c , [m] H th ng chuy n d ch ñi n tích (CTS) có kh năng ngăn c n d là ñư ng kính c a ñi n c c, [m] nh ng cú sét ñánh vào v trí c n b o v . H th ng này t o ra m t Tính toán s lư ng thanh ti p ñ a yêu c u là : vùng ñi n tích trên ñ i tư ng ñư c b o v b ng cách chuy n các ñi n R1 K tích dương vào các vùng không khí xung quanh thông qua m t quá N= (4.3) RN trình x lý g i là phóng ñi n ñi m (Point Discharge). K t qu là các phân t không khí b ion hoá hình thành nên s tr n l n các phân t Trong ñó : không khí tích ñi n và kho ng không tích ñi n, g i là vùng tích ñi n, R1 là ñi n tr c a m t ñi n c c ti p ñ t hình thành nên m t trư ng gi a ñám mây bão và v trí ñư c b o v . K là h s Vì v y ñi n th gi a ñi m c n b o v và các ñám mây bão gi m RN là ñi n tr ñ t mong mu n xu ng r t nhi u. Do ñó ñã ngăn c n ñư c các tia sét ñánh th ng. N là s thanh ti p ñ a yêu c u
19 20 4.1.2 H th ng dây d n Đ CTS có th bơm vào không khí phía trên c u trúc ñư c Dây d n có nhi m v k t n i h th ng n i ñ t v i b t o ion. b o v m t lư ng ñi n tích dương q thì s lư ng ñ nh nh n c n thi t Trư c ñây dây d n thư ng ñư c chôn trong rãnh sâu kho ng 25cm cho quá trình phóng ñi n ñi m s là: (9,8 inches). Tuy nhiên, hi n nay m t phương pháp duy nh t ñư c s q N= (4.6) d ng ñ k t n i h th ng ti p ñ a là phương pháp kích ho t hóa h c. I pt Đ ng ng m m có ñư ng kính ít nh t là 1,27 cm (1/2 Trong ñó: inches). Thành ph n 99% ñ ng nguyên ch t ho c dây cáp ñ ng tr n N: S lư ng ñi m nh n c n thi t 4/0 AWG theo tiêu chu n M , ñư c s d ng ñ k t n i v i h th ng q: Đi n tích không gian c n thi t, [C] ti p ñ t ñư c kích ho t hóa h c. M i ñi n c c ñư c k t n i v i h Ip: Dòng ñi n t i m i ñi m, [ µ A] th ng dây d n t i m t ñi m duy nh t ñ có m t h th ng n i ñ t ñ m t: Th i gian c n thi t ñ tích lũy q, [s] b o k thu t. Ngoài ra, t t c các m i hàn ñư c hàn b c ho c hàn hóa Dòng phóng ñi n t i m i ñi m d a theo nghiên c u c a h c v i nhau ñ ñ t ñư c ñi n tr 5 Ω ho c th p hơn n u c n thi t. phòng thí nghi m: Các ng ñ ng ho c cáp ñ ng tr n 4/0 AWG ñư c chôn sâu ít nh t Ip = 60 µ A/ñi m trong trư ng h p dông bão.[6] 25cm (10 inches) nhưng cũng không ñư c sâu quá 40cm (16 inches). Khi tia tiên ñ o ti p c n cách m t ñ t kho ng 100 mét, thì T i nh ng khu v c nơi mà m t ñ t có th ñóng băng thì có th chôn v n t c di chuy n c a tia tiên ñ o cho 100 mét cu i cùng này là sâu hơn.[6] 0.5m/ µ s. Đ ñ i phó v i ñi u ñó, m t lư ng ñi n tích không gian 4.1.3 Tính toán thi t k b t o ion ñáng k ph i ñ t ñúng v trí trư c khi tia tiên ñ o lan truy n.[10] 4.1.3.1 Tính toán ñi n tích không gian và s ñi m c n thi t 4.1.3.2 Ph m vi b o v c a h th ng chuy n d ch ñi n tích (CTS) Trong môi trư ng dông sét, CTS s bơm m t lư ng ñi n tích Phương pháp tính toán khu v c b o v c a CTS ñư c phát dương vào không khí phía trên c u trúc ñư c b o v . Lư ng ñi n tích tri n d a trên s so sánh v i khu v c b o v c a c t thu lôi. dương ñó ñư c xác ñ nh theo phương trình sau : Đ tính ph m vi b o v c a CTS so v i c t thu lôi ta gi ñ nh a q= Q (4.5) cư ng ñ ñi n trư ng t i ñi m A (c t thu lôi) và ñi m B (CTS) b ng A nhau nên ta có: Trong ñó : q : ñi n tích không gian c n thi t [C] 2qr h 2qCTS h a : khu v c ñư c b o v [ m ]2 3 = 3 A: khu v c c m ng ñi n tích [ m 2 ] 4πε 0 (h 2 + Rr2.0 ) 2 4πε 0 (h 2 + RCTS .0 ) 2 2 Q: ñ ên tích trong ñám mây [C]
21 22 Gi i phương trình trên cho RCTS.0 ta s ñư c phương trình 4.2.2 Tính toán ch ng sét cho tòa nhà b ng phương pháp chuy n tính bán kính khu v c b o v c a h th ng CTS t i m t ñ t như sau: d ch ñi n tích 2 4.2.2.1 Tính toán b t p trung ñi n tích trong ñ t RCTS .0 = ( Nk ) 3 (h 2 + Rr2.0 ) − h 2 , [m] (4.10) Áp d ng công th c (4.2) ta có: Bán kính khu v c b o v c a c t thu lôi t i m t ñ t có th ρ 29.2608 L R1 = ln −1 ñư c tính theo công th c sau: 0.583692 L d Rr .0 = h(2d str − h) , [m] (4.11) Trong ñó: R1 là ñi n tr c a m t thanh ñi n c c [ Ω ] Trong ñó: ρ là ñi n tr su t c a ñ t [ Ωm ] d str : kho ng cách phóng ñi n sét ñư c xác ñ nh b i ñ l n L là chi u dài ñi n c c , [m] c a dòng phóng ñi n sét d là ñư ng kính c a ñi n c c, [m] 4.2 VÍ D TÍNH TOÁN CH NG SÉT CHO M T CÔNG Ch n chi u dài ñi n c c L=1m, ñư ng kính ñi n c c TRÌNH C TH d=0,05m. Đ ng d ng cho lý thuy t ñã nghiên c u và so sánh ph m vi Thay ρ , L, d vào công th c trên ta có: b o v gi a kim thu sét c ñi n và CTS. Sau ñây là tính toán thi t k 25 29.2608 x1 R1 = ln −1 ch ng sét cho tòa nhà FLC Landmark Tower Hà N i B ng hai 0.583692 x1 0.05 phương pháp: phương pháp c ñi n (c t thu sét Franklin) và phương R1 = 230[ Ω ] pháp chuy n d ch ñi n tích. S lư ng thanh ti p ñ a c n s d ng ñ h th ng ti p ñ a ñ t Tòa nhà FLC Landmark Tower có kích thư c như sau: 5Ω: - Chi u cao c a tòa nhà: 115 mét Áp d ng công th c (4.3) ta có: - Chi u r ng c a toa nhà: 44 mét R1 K - Chi u dài c a tòa nhà: 77 mét N= RN 4.2.1 Tính toán ch ng sét cho tòa nhà b ng kim thu sét Franklin 4.2.1.1 Lý thuy t tính toán ph m vi b o v c a c t thu lôi Thay R1 = 230, RN =5, K=1.2 vào ta ñư c: 4.2.1.2 Tính toán ch ng sét cho tòa nhà 230 x 1.2 Qua quá trình tính toán thi t k cho tòa nhà ta th y r ng v i N= = 55 5 vi c b trí 15 kim thu sét như hình 4.10 và chi u cao c a m i c t là 8 mét thì tòa nhà ñư c b o v an toàn.
23 24 S thanh ti p ñ a c n s d ng là 55 thanh. Các thanh ti p ñ a ñi n tích c a tia tiên ñ o là 2.5C (95% các tia tiên ñ o có ñi n tích là ñ t cách nhau kho ng 10 mét, ñóng xung quanh tòa nhà c n b o v 2.5C) trong kho ng th i gian là 25 µ s (th i gian ñi ñư c 50 mét c a và ñ sâu c a các c c là 0,4 mét so v i m t ñ t. tia tiên ñ o) s lư ng ñ nh nh n N c a CTS c n thi t s là: 4.2.2.2 H th ng dây d n 2.5 N= = 4000 ñi m Dùng ñ ng ng m m có ñư ng kính là 2cm . Thành ph n (25)(25.10−6 ) 99% ñ ng nguyên ch t ñư c s d ng ñ k t n i v i h th ng ti p ñ t 4.2.2.3 Xác ñ nh ph m vi b o v , chi u cao và v trí ñ t CTS ñư c kích ho t hóa h c. M i ñi n c c ñư c k t n i v i h th ng dây M t CTS v i 4000 ñi m nh n ñư c ñ t lên ñ nh c a tòa nhà. d n t i m t ñi m duy nh t ñ có m t h th ng n i ñ t ñ m b o k Gi s chi u cao c a CTS so v i ñ nh tòa nhà là 8 mét. Xác ñ nh thu t. Ngoài ra, t t c các m i hàn ñư c hàn b c ho c hàn hóa h c ph m vi b o v c a CTS như sau: v i nhau ñ h th ng ti p ñ a ñ t ñư c ñi n tr 5 Ω ho c th p hơn . Bán kính b o v c a m t kim thu sét Franklin có chi u cao 8 Các ng ñ ng ñư c chôn sâu cách m t ñ t 40cm mét là: 4.2.2.3 B t o ion Rr=1,5x8=12m Đ CTS có th bơm vào không khí phía trên c u trúc ñư c Áp d ng công th c 4.10, ta có bán kính b o v c a CTS: b o v m t lư ng ñi n tích dương ñ ñ trung hòa ñi n tích c a tia 2 tiên ñ o là 2.5C (95% các tia tiên ñ o có ñi n tích là 2.5C). S lư ng RCTS = ( Nk ) 3 (h 2 + Rr2 ) − h 2 ñ nh nh n c n thi t c a h th ng CTS là : Cho h s k=1, thay các giá tr vào công th c trên ta ñư c: Áp d ng công th c (4.6) : 2 q N= RCTS = (4000) 3 (82 + 122 ) − 82 = 228m I pt V y bán kính b o v c a CTS là 228 mét. Ta nh n th y r ng, n u ta Trong ñó: ñ t m t CTS có s ñi m nh n là 4000 ñi m, chi u cao là 8 mét trên N: S lư ng ñi m nh n c n thi t ñ nh c a tòa nhà thì CTS s lo i tr kh năng sét ñánh vào tòa nhà q: Đi n tích không gian c n thi t, [C] Sau khi tính toán thi t k ch ng sét cho tòa nhà FLC Ip: Dòng ñi n t i m i ñi m, [ µ A] Landmark Tower b ng hai phương pháp kim thu sét và h th ng t: Th i gian c n thi t ñ tích lũy q, [s] chuy n d ch ñi n tích ta có nh n xét r ng : V i cùng kích thư c c a Khi tia tiên ñ o ti p c n cách m t ñ t kho ng 100 mét, thì tòa nhà n u s d ng kim thu sét thì chúng ta s d ng ñ n 15 kim có v n t c di chuy n c a tia tiên ñ o cho 100 mét cu i cùng này là chi u cao là 8m m i ñ m b o b o v an toàn cho công trình. Nhưng 0.5m/ µ s. N u chúng ta gi ñ nh r ng CTS ph i trung hòa m t lư ng v i phương pháp phân tán ñi n tích ta ch c n 1 CTS 4000 ñi m nh n
25 26 có chi u cao 8m thì không nh ng ñ m b o an toàn cho công trình mà chuy n d ch ñi n tích là v n ñ c n quan tâm. Qua lu n văn k t qu ph m vi b o v còn r t r ng so v i công trình c n ñư c b o v . ñ t ñư c là: 4.3 K T LU N 1. Tìm hi u, h th ng hóa lý thuy t phương pháp ch ng sét N i dung chương 4 ñã trình bày quy trình ñ thi t k m t h chuy n d ch ñi n tích. Đây là m t lý thuy t r t m i và chưa ñư c ng th ng ch ng sét s d ng phương pháp chuy n d ch ñi n tích và m t d ng t i Vi t Nam. Nhưng trên th gi i lý thuy t này ñã ñư c ng ví d minh h a cho m t công trình c th . Qua k t qu ñ t ñư c d ng r ng rãi và thu ñư c nh ng thành công to l n. chúng ta th y r ng vi c thi t k ch ng sét cho m t công trình b ng 2. Xây d ng ñư c quy trình tính toán, thi t k h th ng phương pháp chuy n d ch ñi n tích là r t kh thi và có kh năng b o ch ng sét chuy n d ch ñi n tích. Qua tìm hi u và tính toán ta nh n v t t các công trình quan tr ng trư c tác h i c a dông sét. th y r ng phương pháp này có th b o v công trình b ng cách không Theo tính toán c a các nhà khoa h c, CTS trong th i gian cho sét ñánh th ng vào khu v c ñư c b o v và kh c ph c ñư c 25 µ s có th cung c p dòng ñi n ph n ng lên ñ n 80kA ho c l n nh ng như c ñi m c a kim thu sét c ñi n. hơn. M i ñ nh nh n có th phát ra m t dòng ion lên ñ n 25A trong 3. Tính toán thi t k ch ng sét cho công trình tòa nhà FLC th i gian r t ng n 25 µ s. Đi u này ch ng t CTS có th s n xu t m t Landmark Tower Hà N i và ñã minh ch ng ñư c hi u qu vư t lư ng ñi n tích không gian r t l n ñ ñ ngăn ch n và ch m d t s tr i c a h th ng chuy n d ch ñi n tích so v i kim thu sét Franklin. phát tri n c a tia tiên ñ o. 4. Lý thuy t ch ng sét b ng phương pháp chuy n d ch ñi n tích là m t lý thuy t tương ñ i m i. Vì v y, ñ tài không ngoài m c K T LU N VÀ KI N NGH ñích nghiên c u m t công ngh kh thi ñ có th áp d ng vào th c t Vi t Nam nh m kh c ph c nh ng như c ñi m mà h th ng ch ng K t lu n: sét c ñi n còn t n t i. Hi n nay Vi t Nam, ñ ch ng sét cho các công trình ngư i Ki n ngh : ta thư ng dùng c t thu lôi. Trong nh ng năm qua, kim thu sét cũng N u ñư c xem xét ng d ng th c t , phương pháp tính toán ch ng t s hi u qu ch ng sét cho các công trình. Tuy nhiên, v i s có cơ h i ñư c ki m nghi m, hoàn ch nh và phát tri n thành m t các công trình hi n ñ i có nhi u thi t b ñi n t nh y c m cũng như gi i pháp h u hi u ñ ch ng sét cho các công trình quan tr ng t i các h th ng máy tính quan tr ng thì kim thu sét th hi n như c ñi m Vi t Nam. Và ñây cũng chính là hư ng m r ng c a ñ tài. c a mình trong vi c tri t tiêu các thành ph n t n s cao. D n ñ n nh ng nhi u lo n các tín hi u nh hư ng ñ n s chính xác c a h th ng máy tính cũng như có th gây h ng hóc các thi t b ñi n t . Vì v y nghiên c u ch ng sét v i công ngh m i theo phương pháp