Thạc Sĩ Điện khí quyển và phương án chống sét cho khu dân cư

1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
THUẬT NGỮ VÀ ðỊNH NGHĨA 3
MỞ ðẦU 5
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ðIỆN KHÍ QUYỂN .7
1.1. ðiện khí quyển khi thời tiết tốt .7
1.1.1. Trường ñiện của Trái ðất 7
1.1.2. Ion khí quyển và sự dẫn ñiện của không khí .10
1.1.3. Dòng ñiện toàn cầu 14
1.2. ðiện dông .16
1.2.1. Sơ lược về lịch sử nghiên cứu .16
1.2.2. Mây dông .17
1.2.3. Quá trình nhiễm ñiện .18
1.2.4. Hoạt ñộng phóng ñiện 20
1.2.5. Các phương pháp chống sét .25
Chương 2 TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT CHO CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG 27
2.1. Xác ñịnh cấp bảo vệ và vùng bảo vệ .27
2.1.1. Xác ñịnh tần số sét ñánh vào công trình 27
2.1.2. Vùng bảo vệ .29
2.2. Các bộ phận cơ bản của hệ thống chống sét .32
2. 2.1. Bộ phận thu sét .32
2.2.2. Dây xuống 32
2.2.3. Mạng nối ñất 34
2.3. Vấn ñề nối ñẳng thế, khoảng cách an toàn và bảo trì hệ thống chống sét .35
2.3.1. Nối ñẳng thế và khoảng cách an toàn 35
2.3.2. Kiểm tra và bảo trì .37
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT BẰNG MATLAB 39
3.1. Cơ sở thuật toán 39
3.1.1. Cơ sở thuật toán xác ñịnh cấp bảo vệ 39
3.1.2. Cơ sở lập trình tính toán ñiện trở tiếp ñất 40
3.1.3. Phương pháp tính toán số bao hóa chất ñể giảm ñiện trở ñất 43
3.2. Viết chương trình .43
3.2.1. Tổng quan 43
3.2.2. Cách sử dụng .46
Chương 4 . TÍNH TOÁN CHỐNG SÉT CHO MỘT CÔNG TRÌNH CỤ THỂ 50
4.1. Giới thiệu sơ lược khu hiệu bộ và khu ký túc xá trường ðại học Tây Nguyên.50
4.1.1. Giới thiệu sơ lược ñịa bàn chứa công trình .50 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



2
4.1.2. ðặc ñiểm khu hiệu bộ và khu kí túc xá trường ðại học Tây Nguyên .50
4.1.3. Lựa chọn phương án chống sét 51
4.2. Tính toán cấp bảo vệ và lựa chọn thiết bị chống sét cho các khu 52
4.2.1. Xác ñịnh cấp bảo vệ cho các khu 52
4.2.2. Giới thiệu hệ thống chống sét 3000 .53
4.2.3. Lựa chọn thiết bị 56
4.3. Lắp ñặt hệ thống chống sét cho công trình 57
4.3.1. Giới thiệu phần mềm Benji hỗ trợ thiết kế chống sét 58
4.3.2. Hướng dẫn lắp ñặt hệ thống chống sét trực tiếp cho các khu 62
4.3.3. ðo ñiện trở suất của ñất .63
4.3.4. Thiết kế hệ thống tiếp ñất cho các khu 68
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 72
Phụ lục I Bản ñồ mật ñộ sét trung bình năm của Việt Nam .74
Phụ lục II Tiêu chuẩn về kích thước vật liệu của hệ thống chống sét .75
Phụ lục III Các bảng hệ số sử dụng của hệ thống tiếp ñất 78
Phụ lục IV. Các ñoạn mã chương trình tính toán chống sét .80


















LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



3
THUẬT NGỮ VÀ ðỊNH NGHĨA
1. Dông sét:
Sét là sự phóng ñiện trong khí quyển. Sự phóng ñiện có thể xảy ra giữa các
phần trong một ñám mây, giữa các ñám mây hoặc giữa ñám mây với mặt ñất (hoặc
mặt biển). Cường ñộ dòng sét lên ñến hàng trăm KA.
Dông: là hiện tượng thời tiết bao gồm sự phóng ñiện giữa các ñám mây
(chớp) hoặc giữa ñám mây và mặt ñất (sét), kèm theo gió mạnh và mưa lớn.
Dông sét: là cụm từ chỉ dông nhưng nhấn mạnh vai trò của sét.
2. Vùng bảo vệ:
Là thể tích mà trong ñó một dây dẫn sét tạo ra khả năng chống sét ñánh thẳng
bằng cách thu hút sét ñánh vào nó.
3. Mật ñộ phóng ñiện sét N gm :
Là số lần phóng ñiện sét trên một km
2
trong một năm. Một lần phóng ñiện sét
thông thường có vài lần phóng ñiện lặp lại.
4. Thiết bị dẫn sét tạo tia tiên ñạo (ESE):
ESE là từ viết tắt tiếng anh Early Streamer emission. ðầu thu sét tạo tia
tiên ñạo là loại ñầu thu sét bao gồm một kim thu sét cùng với một loại thiết bị ñặc
biệt có khả năng tạo ra một ñường dẫn sét chủ ñộng về phía trên nhanh và cao hơn
các kim loại thông thường.
5. Hiệu ứng corona:
Là hiện tượng dây dẫn bằng kim loại nhọn ñược nối ñất ñặt trong khu vực có
ñiện trường mạnh sẽ có hiện tượng các ñiện tích bị bứt ra ngoài không gian từ ñiểm
nhọn của dây dẫn ñó.
6. Quá trình phát ra ñường dẫn sét:
Là hiện tượng vật lý giữa sự khởi ñầu của hiệu ứng Corona ñầu tiên và sự lan
truyền một ñường dẫn sét về phía trên.
7. ðộ lợi về thời gian tạo tia tiên ñạo ( ΔΔΔΔ T):
ðại lượng Δ T là ñộ lợi về thời gian tạo ñường dẫn sét chủ ñộng về phía trên
của ñầu thu sét loại tia tiên ñạo so với các loại kim thu sét thông thường ở trong
cùng một ñiều kiện.
8. Thanh nối cân bằng thế:
Là những thanh kim loại dùng ñể nối tất cả các thành phần kim loại tiếp xúc
với ñất nằm trong công trình, các vỏ máy, vỏ cáp thông tin, ñiện lực . với hệ thống
chống sét.
9. Khoảng cách an toàn:
Là khoảng cách tối thiểu mà không xảy ra sự phóng ñiện nguy hiểm.
10. Dây dẫn sét: LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



4
Là một phần của hệ thống chống sét dùng ñể dẫn dòng sét vào ñất qua một
hệ thống nối ñất.
11. Hệ thống nối ñất:
Là một hoặc nhóm các vật dẫn ñược chôn sâu trong ñất nhằm tản dòng sét
vào ñất.
12. ðiện cực ñất:
Là một hàng, một nhóm các ñiện cực của hệ thống nối ñất mà tiếp xúc trực
tiếp với ñất và có tác dụng tản dòng sét vào ñất.
13. Cực nối ñất mạch vòng:
Cực nối ñất tạo ra một vòng khép kín xung quanh công trình ở dưới hoặc trên
bề mặt ñất, hoặc ở phía dưới hoặc ngay trong móng của công trình.
14. Cực nối ñất tham chiếu:
Cực nối ñất có thể tách hoàn toàn khỏi mạng nối ñất ñể dùng vào mục ñích
ño ñạc kiểm tra.
15. ðiện trở của hệ thống nối ñất:
Là ñiện trở giữa ñiểm kiểm tra của hệ thống nối ñất và ñất.
16. Cấp bảo vệ:
Là mức ñộ bảo vệ của hệ thống chống sét ñối với công trình.
17. Vùng tập trung tương ñương A c :
Là diện tích mặt phẳng trên mặt ñất có khả năng bị số lần sét ñánh giống như
công trình ở cùng một ñiều kiện.
18. MATLAB:
MATLAB là từ viết tắt của Matrix Laboratory, có nghĩa là phòng thí nghiệm
ma trận, một môi trường tính toán số và lập trình, ñược thiết kế bởi công ty
MathWorks.











LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



5
MỞ ðẦU

Dông sét là hiện tượng phóng ñiện trong khí quyển giữa các ñám mây và mặt
ñất. Hoạt ñộng dông sét gây ảnh hưởng trực tiếp ñến kinh tế - xã hội, gây thiệt hại
lớn về người và tài sản.
Ở Ấn ðộ, ngày 04/01/2005,15 người bị sét ñánh chết. Ngày 21/05/2005, Sét
ñánh ở Burundi làm 6 người bị chết. Ngày 18/12/2005, một máy bay Nhật Bản bị
sét ñánh khi tiếp ñất. Ngày 20/11/2006, ở Colombie, sét làm chết 5 người và bị
thương 28 người. Khoảng 10 người bị chết ở Pháp mỗi năm và 10000 gia súc bị sét
ñánh.
Dông sét ñốt rừng làm kiệt quệ tài nguyên và phá hoại môi sinh. Từ năm
1938 ñến 1939, trên ñất nước Liên Xô (cũ) người ta thống kê ñược sét gây ra 6.000
vụ cháy rừng.
Sét phá nhà cửa, công trình kiến trúc, gây hỏa hoạn và ñổ nát. Năm 1769 ở
Ý, sét ñánh vào một kho vũ khí làm toàn kho bị nổ và thành phố Brecsia bị phá hủy
hoàn toàn và có khoảng 3000 người chết.
Cao ốc Empire States ở Mỹ cao 400m có năm, thống kê có tới 48 lần bị sét
ñánh. Công ty bảo hiểm Mỹ hàng năm phải bồi thường ñến 500 triệu USD cho thiệt hại
do sét.
Sét phá hoại các công trình bưu chính viễn thông và ngành ñiện lực. Các
ñường dây truyền tải ñiện có thể bị sét ñánh thẳng hay sét lan truyền từ dây dẫn vào
phá hoại các thiết bị tiêu thụ ñiện trong nhà và công sở.
Nước ta nằm ở tâm dông Châu Á, một trong ba tâm dông thế giới có hoạt
ñộng dông sét mạnh. Theo tạp chí Bưu chính viễn thông số: 3/1999: năm 1997 ở
bưu ñiện Long An, sét ñánh 8 lần, phá hỏng hai máy thu phát viba. Năm 1998 sét
ñánh vào mạng Thông tin viễn thông khắp cả nước 149 lần gây thiệt hại hàng tỷ
ñồng.
Năm 1990, sét ñánh vào máy biến áp 110/35/10KV trạm trung gian Sơn Tây,
sét lan truyền ñánh vào trạm T2 Bắc Ninh làm ñứt dây gây ngắt mạch và nổ máy cắt
35kV.
Tuy nhiên, việc nghiên cứu dông sét của nước ta hiện nay còn ở giai ñoạn
ñầu và kém xa các nước phát triển. Với tình hình biến ñổi phức tạp của khí hậu toàn
cầu hiện nay, diễn biến dông sét cũng phức tạp, gần ñây có nhiều cú sét ñánh xuống
khu dân cư gây thiệt hại lớn về người và tài sản, gây tâm lý hoang mang cho dân
chúng ở một số ñịa phương.
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC



6
Trên thực tế, trong lĩnh vực phòng chống sét, nhiều loại máy móc thiết bị
chống sét ñược bán trên thị trường mà hiệu quả còn chưa rõ ràng. Qua khảo sát của
các công trình nghiên cứu cho thấy khi thiết kế lắp ñặt, người thi công không chú
trọng tới việc khảo sát ñiện trở suất của ñất, không chú ý tới phạm vi bảo vệ của
kim thu sét, nối ñất theo kinh nghiệm với nhiều cọc ñóng thẳng gây lãng phí, việc
bố trí dây dẫn sét còn ñặt nặng vấn ñề thẩm mỹ nên vi phạm các tiêu chuẩn kỹ thuật
và gây mất an toàn
Từ những lý do trên, người thiết kế cần thiết phải có kiến thức khoa học về
ñiện khí quyển và kỹ thuật phòng chống sét tiên tiến. ðề tài: “ðiện khí quyển và
phương án chống sét cho khu dân cư” góp phần giải quyết các vấn ñề nêu trên.

Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài:
Phân tích bản chất của ñiện khí quyển và cơ chế hình thành dông sét.
Lựa chọn ñược phương án chống sét tối ưu và lựa chọn thiết bị chống sét
hiệu quả cho một công trình cụ thể.
Sản phẩm ñạt ñược là chương trình tính toán chống sét ñược viết bằng ngôn
ngữ Matlab.

Phạm vi và ñối tượng nghiên cứu:
ðối tượng nghiên cứu: cơ chế hình thành mây dông và sét; nghiên cứu
phương án chống sét cho công trình khu hiệu bộ và ký túc xá ðại học Tây Nguyên.
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu khí quyển tầng thấp, lựa chọn phương án
chống sét ñánh thẳng cho công trình.

Giả thuyết nghiên cứu:
Nếu nghiên cứu rõ cơ chế hình thành và bản chất của dông sét, vận dụng các
tiêu chuẩn chống sét và khai thác các phần mềm hỗ trợ sẽ ñề ra ñược phương án
chống sét tối ưu cho công trình và tiết kiệm ñược chi phí khi thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu ñiện khí quyển ñể hiểu cơ chế
hình thành dông sét, nghiên cứu tiêu chuẩn chống sét làm cơ sở cho tính toán thiết kế
chống sét.
Phương pháp thực nghiệm: ño kích thước của các công trình ký túc xá ðại học
Tây Nguyên, khảo sát ñiện trở suất của ñất ở các vị trí tiếp ñất của hệ thống chống sét