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

Chương 2: Phóng điện sét và bảo vệ chống sét đánh thẳng I) Hiện tượng phóng điện sét: 1) Các đặc điểm: Phóng điện sét có 2 giai đoạn: *Giai đoạn tiên đạo phát triển tự nhiên *Giai đọan tiên đạo phát triển định hướng 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 Theo thống kê, thường chiếm khoảng 80% các đám mây xuất hiện trên bầu trời là tích điện âm. 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. 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. 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. tia plasma Độ cao H0 được gọi là độ cao định hướng. 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. H0 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. 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. 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. 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. Quá trình phóng điện này là phóng điện chủ yếu trong phóng điện sét. (Tính khi sét đánh vào nơi nối đất tốt (R=0) ) Khi Zo là tổng trở của khe sét ( ) Sét đánh vào dây dẫn thì dòng điện sét Với Nếu gọi v là tốc độ dịch chuyển của sóng điện tích dương 3) Caïc tham säú cuía phoïng âiãûn seït: 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 -Mật độ sét/ngày sét (ms): là số lần sét đánh xuống 1 km2 mặt đất trong 1 ngày sét: ms = (0,1 - 0,15) lần/ km2.ngày - Mật độ sét/năm (Ms): là số lần sét đánh xuống 1 km2 mặt đất trong 1 năm. Để xác định bán kính bảo vệ ở 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. rx Phương trình xác định bán kính bảo vệ: 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: Trong đó D là dường kính ngoại tiếp đa giác rx Thông thường dây chống sét dùng bảo vệ cho dây dẫn mà 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: 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 Suy ra : 3) Dây nối đất trong hệ thống thu sét: Tương tự để không gây phóng điện trong đất (từ A đến công trình) 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