Luận văn Điện khí quyển và phương án chống sét cho khu dân cư

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 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 Ngm: Là số lần phóng ñiện sét trên một km2 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 (∆T): ðại lượng ∆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 Ac: 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. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 7 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ðIỆN KHÍ QUYỂN 1.1. ðiện khí quyển khi thời tiết tốt [7][12][13][16] 1.1.1. Trường ñiện của Trái ðất Trong nhiều nghiên cứu ño ñạc hệ thống ñiện trường tại nhiều ñiểm trên mặt ñất, cường ñộ ñiện trường ñược tính qua biểu thức: VgradVE −∇=−= (1.1) Trong ñó V là ñiện thế có ñơn vị là Volt (V) E là cường ñộ ñiện trường ñơn vị là V/m, hay còn gọi là gradient ñiện thế. - Gradient ñiện thế: Gradien ñiện thế (PG- Potential Gradient) là một ñại lượng quan trọng của ñiện khí quyển ñược nghiên cứu khá rộng rãi. Khi thời tiết tốt và không khí không nhiễm bẩn bởi những hạt son khí (aerosol), biến thiên ngày ñêm của PG từ năm 1903 – 1904 ở Lapland do Simson (1906) biểu diễn ở Hình 1.1. Sự biến thiên PG theo quy luật: biên ñộ của PG một chu kỳ ngày ñêm lớn nhất vào mùa ñông và nhỏ nhất vào mùa hè. Hình 1.1. Biến thiên PG một ngày ñêm trong năm ở Lapland Những quan sát tại Karasjok ở Lapland của Simpson (1905) và tại Cape Evans ở Nam cực (Simpson, 1919) chỉ ra rằng sự biến ñổi của PG ở hai trường hợp chỉ ñơn giản cùng một cực ñại trong hai thời ñiểm khác nhau. Cả hai trường hợp ño LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 8 ñạc ñều ở trong ñiều kiện thời tiết tốt và bỏ qua ảnh hưởng của ion lớn (large ions). Hoffmann (1923) chỉ ra rằng PG có giá trị cực ñại như nhau trong hai trường hợp ñó thực ra cùng một lúc, trong khi ñó thời gian ñịa phương (local time) hai nơi là khác nhau. Sau ñó không lâu, Mauchly (1923) cũng nghiên cứu PG trên biển cùng kết quả trong ñiều kiện thời tiết tốt. Hình 1.2 biểu diễn các ñường PG ñã ñược so sánh với giá trị trung bình (mean). ðường cong Carnegie biểu diễn sự biến thiên ngày ñêm của PG trên tất cả các ñại dương (All ocean). ðường cong Maud biểu diễn sự biến thiên ngày ñêm của PG trên Bắc băng dương (Arctic ocean). Biên ñộ PG cực tiểu lúc bình minh và cực ñại vào khoảng 19: 00 GMT. Hình 1.2. Biến thiên một ngày ñêm của PG trên ñại dương Vôn Schweidler (1929) ñã tổng hợp kết quả ño ñạc về cường ñộ ñiện trường của 57 bóng thám không (balloon) trên bầu trời Châu Âu và ñề xuất biểu thức thực nghiệm: E(z) = 90.e-0,0035.Z + 40e-0,00023.Z (1.2) E tính bằng V/m và z là ñộ cao tính bằng m Tính một vài giá trị cường ñộ ñiện trường: * với z = 0 km thì E = 130 V m-1 * với z = 10 km thì E = 4 V m-1 * với z = 50 km thì E ≈ 0 V m-1 Ph ần tr ăm gi á tr ị t ru n g Thời gian quốc tế (GMT) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 9 Nhận xét: Ở mặt ñất, cường ñộ ñiện trường lớn nhất bằng 130V/m, trên cao 50km ñiện trường gần như bằng không (minh họa ở Hình 1.4). Vậy cường ñộ ñiện trường của Trái ðất giảm theo ñộ cao. - Cấu trúc ñiện của Trái ðất: Sử dụng ñịnh lý Gauss ñể tính tổng ñiện tích của Trái ðất. Nội dung của ñịnh lý Gauss ñược phát biểu như sau: Thông lượng ñiện trường qua một mặt kín bằng ñiện tích bên trong mặt ñó chia cho hằng số ñiện ε0. Hình 1.3. Bề mặt của Gauss Hình 1.4. Cấu trúc ñiện của Trái ðất ∫∫ ∫∫ ∫∫ = =− −= = 2 int int 4 . RdS QdSE EnE QdSnE o o oo o o pi ε ε Trong ñó Eo là cường ñộ ñiện trường của trường ñiện ñều, R là bán kính của quả cầu Gauss, Qint là ñiện tích bên trong quả cầu. Với Eo = 130V/m, R = 6378 km, ε0 = 8,85 × 10-12 F m-1 Suy ra ñiện tích của Trái ðất: Qint = - 4pi ε0 R2 E0 = -590000 C Nhận xét : Trái ðất mang ñiện tích âm, khí quyển chứa các ñiện tích dương ở 50 km ñầu tiên, trên ñộ cao 50 km khí quyển trung hòa về ñiện (Hình 1.4). - Mật ñộ ñiện tích trong khí quyển: (1.3) (1.4) (1.5) (1.6) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 10 Sử dụng phương trình Poisson ñể tính mật ñộ ñiện tích của khí quyển. Ta có: o Ediv ε ρ = (1.7) Vì E phụ thuộc chiều cao nên ρ phụ thuộc chiều cao z : Edivoερ = = 2,9.e-0,0035.Z + 0,08e-0,00023.Z x 10-12 (1.8) (ρ tính bằng C m-3 và z tính bằng km) Ví dụ: Ở mặt ñất : ρ = 2,88×10-12 C m-3 Ở ñộ cao 10 km: ρ = 8,1×10-15 C m-3 1.1.2. Ion khí quyển và sự dẫn ñiện của không khí - Sự hình thành ion trong không khí: Sự tồn tại của ion trong khí quyển là nguyên nhân cơ bản của khí quyển có tính chất ñiện. Khái niệm ion dương và ion âm (các loại hạt tải của khí quyển) ñược ñặt bởi J.Elster và H. Geitel (1899) và ñã giải thích ñược tính dẫn ñiện của không khí. Chúng ta ñã biết có ba loại ion chính: ion nhỏ (small ions), ion loại trung (intermediate ions) và ion loại lớn (large ions). Quan trọng nhất là ion loại nhỏ. Ion nhỏ là sản phẩm của quá trình phân tử không khí hấp thụ bức xạ. Có ba nguồn chủ yếu của hạt có năng lượng cao ñể gây ra ion: ñồng vị phóng xạ (radon isotopes), tia vũ trụ và bức xạ gamma từ Trái ðất. Trên bề mặt châu lục, quan trọng nhất là sự ion hóa từ hoạt ñộng phóng xạ của ñồng vị phóng xạ cùng với bức xạ gamma. Sự ion hóa từ tia vũ trụ luôn luôn thường trực chiếm 20% của quá trình ion hóa. Sự ion hóa tăng theo ñộ cao. Hình 1.5. Tốc ñộ sản sinh ion phụ thuộc vào ñộ cao Số ion sinh ra trên một mét khối trong một giây ð ộ ca o (km ) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 11 Hình 1.5 biểu diễn tốc ñộ ion sản sinh ra do tia vũ trụ là một hàm của ñộ cao do Wählin ñề xuất (1994). Tốc ñộ sản sinh của ion ngay mực nước biển khoảng 10 triệu cặp trên một mét khối trong một giây (107m-3s-1). Tuy nhiên, ñến ñộ cao mà tốc ñộ sản sinh ra ion 109 m-3s-1 thì tốc ñộ này bắt ñầu tăng chậm theo ñộ cao. - ðo lường bằng xilanh (cylindrial condenser): Một hệ thống ống xilanh với nguyên tắc làm việc ñơn giản, chúng ñược sử dụng ñể ño ñộ linh ñộng của ion (Zeleny, 1900), ñếm số ion (Ebert, 1901) và ñiện dẫn suất của không khí (Gerdien, 1905). Hệ thống ống gồm: một xilanh rỗng bán kính a, một ống xilanh nhỏ ñặt ñồng trục có bán kính b (hình 1.6). Không khí ñược thổi vào giữa hai xilanh bằng quạt hoặc bằng bơm với vận tốc U. ðặt một thế hiệu (bias) giữa hai xilanh tạo một ñiện cực ngoài (outer electrode) và một ñiện cực phía trong (central electrode). Nguồn ñiện ñược nối qua một ñiện kế nhạy (electrometer) ñể ño dòng ñiện. Hình 1.6. Ống Gardien Gọi V là hiệu ñiện thế giữa hai ñiện cực, cường ñộ ñiện trường tại ñiểm cách trục của các xilanh một khoảng r : bar VE e /log = (1.9) Goi ω là ñộ linh ñộng của ion thì ñộ di chuyển nhỏ của ion trong thời gian dt là Edtdr ω= V drbar E drdt e ωω ./log == (1.10) Tổng thời gian ñể ion ñi hết khoảng không từ xilanh ngoài ñến xilanh trong là V baba t e ω /log 2 )( 22 − = (1.11) 2b 2a LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC 12 Trong thời gian này, khối không khí di chuyển một khoảng cách là U.t dọc theo ống. Nếu khoảng cách này nhỏ hơn ñộ dài của ống xilanh phía trong (L), toàn bộ ion chuyển ñộng bên trong ñược ghi nhận. Ta có ñiều kiện sau: baba VLUtLU e /log)( 2/ 22 − <⇒< ω (1.12) Nếu U lớn hơn giá trị này (L/t), chỉ một phần ion sẽ ñến xilanh bên trong, những ion này sẽ bắt ñầu ñến gần tới trục hơn và khoảng cách tới hạn R ñược xác ñinh bởi biểu thức: VLb