Bài giảng Kỹ thuật cao áp - Chương 2: Phóng điện sét và bảo vệ chống sét đánh thẳng

Ch ươ ng 2: Phóng đ iện sét và bảo vệ chống sét đ ánh thẳng 
I) Hiện t ư ợng phóng đ iện sét: 
1) Các đ ặc đ iểm: 
 Phóng đ iện sét có 2 giai đoạn: 
 *Giai đ oạn tiên đ ạo phát triển tự nhiên 
 *Giai đ ọan tiên đ ạo phát triển đ ịnh h ư ớng 
 Sét là 1 dạng phóng đ iện tia lửa ở trong tr ư ờng không đ ều giữa các đ ám mây với nhau hoặc giữa đ ám mây với đ ất ở khoảng cách rất lớn, trung bình khoảng 5000m 
Theo thống kê, th ư ờng chiếm khoảng 80% các đ ám mây xuất hiện trên bầu trời là tích đ iện âm. 
2) Giải thích: 
tia plasma 
Khi đ ám mây tích đ iện đ ủ lớn, c ư ờng đ ộ đ iện tr ư ờng do nó sinh ra đ ủ lớn (E ≥ 30KV/cm - là c ư ờng đ ộ đ iện tr ư ờng gây ion hóa không khí) thì khi đ ó sẽ có hiện t ư ợng ion hóa không khí và hình thành dòng plasma. 
Dòng plasma này gọi là tia tiên đ ạo. 
2) Giải thích: 
tia plasma 
Xét một tia tiên đ ạo đ i về phía mặt đ ất. 
Ở giai đ oạn đ ầu thì tia tiên đ ạo phát triển tự nhiên. 
Vì plasma là một môi tr ư ờng dẫn đ iện nên các đ iện tích âm của đ ám mây sẽ theo tia plasma và đ i xuống. 
H 0 - đ ộ cao đ ịnh h ư ớng 
Khi tia plasma phát triển đ ến một đ ộ cao nhất đ ịnh nào đ ó (H 0 ) thì d ư ới tác dụng của đ iện tr ư ờng của các đ iện tích âm trong tia tiên đ ạo, phía d ư ới mặt đ ất sẽ có sự h ư ởng ứng đ iện tích và sẽ tập trung các đ iện tích khác dấu ở mặt đ ất. 
Quá trình phóng đ iện tiếp theo nó sẽ phát triển dọc theo đư ờng sức nối liền giữa đ ầu tia tiên đ ạo và n ơ i tập trung các đ iện tích khác dấu trên mặt đ ất. 
tia plasma 
Độ cao H 0 đư ợc gọi là đ ộ cao đ ịnh h ư ớng. 
Nếu đ ất có đ iện dẫn đ ồng nhất (không có n ơ i khô, ư ớt khác nhau) thì các đ iện tích trái dấu tập trung ngay ở phía d ư ới đ ầu tia tiên đ ạo và sét đ ánh thẳng xuống d ư ới đ ó. 
Nếu vùng đ ất phía d ư ới tia tiên đ ạo không đ ồng nhất thì đ iện tích trái dấu sẽ tập trung ở n ơ i có đ iện dẫn cao nh ư ao hồ, sông, cây cao,... và sét sẽ đ ánh vào đ iểm đ ó. 
H 0 
Nh ư vậy có thể kết luận: sét đ ánh có chọn lọc. 
Vận dụng tính chọn lọc của phóng đ iện sét đ ể bảo vệ chống sét đ ánh thẳng cho các công trình 
Dùng cột thu lôi (cột thu sét) có đ ộ cao nhất đ ịnh và có đ iện trở nối đ ất 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 đ ất sinh ra 
Giai đ oạn phóng đ iện ng ư ợc: là quá trình phóng đ iện ng ư ợc lại đ i từ phía d ư ới lên (từ cực d ươ ng đ ến cực âm). 
Khi tia tiên đ ạo phát triển tới gần mặt đ ất thì đ iện tr ư ờng trong khoảng không gian giữa nó với mặt đ ất sẽ có trị số rất lớn và bắt đ ầu có quá trình ion hóa mãnh liệt dẫn đ ến sự hình thành dòng plasma mới với mật đ ộ ion lớn h ơ n nhiều so với tia tiên đ ạo. 
Vì thế đ iện tr ư ờng trong khu vực này sẽ t ă ng lên rất cao và gây ion hóa mãnh liệt, dòng plasma đư ợc kéo dài và di chuyển ng ư ợc lên phía trên với tốc đ ộ khoảng (0,05-0,5) tốc đ ộ ánh sáng. 
Do đ iện dẫn của bản thân dòng plasma mới này rất cao nên ở đ ầu dòng sẽ có thế của mặt đ ất và nh ư vậy hiệu số đ iện thế giữa đ ầu tia tiên đ ạo với mặt đ ất sẽ rất lớn. 
Quá trình phóng đ iện này là phóng đ iện chủ yếu trong phóng đ iện sét. 
Ho - đ ộ cao đ ịnh h ư ớng 
tia plasma 
tia plasma do đ ất sinh ra 
Trong giai đ oạn đ ầu, giả thiết mật đ ộ đ iện tích âm phân bố đ ều dọc theo tia plasma với mật đ ộ đư ờng đ i là thì trong giai đ oạn phóng đ iện ng ư ợc, các đ iện tích d ươ ng đ i đ ến đ âu sẽ trung hòa các đ iện tích âm đ ến đ ó, và nh ư vậy bản thân nó cũng có mật đ ộ đ iện đư ờng là . 
Nếu gọi mật đ ộ đ iện tích theo đư ờng đ i là: 
Thì theo đ ịnh nghĩa về dòng đ iện ta có 
(Tính khi sét đ ánh vào n ơ i nối đ ất tốt (R=0) ) 
Khi 
Z o là tổng trở của khe sét ( ) 
Sét đ ánh vào dây dẫn thì dòng đ iện sét 
Với 
Nếu gọi v là tốc đ ộ dịch chuyển của sóng đ iện tích d ươ ng 
3) Caïc tham säú cuía phoïng âiãûn seït : 
t 
i s =at 
I s 
I s : biãn âäü cuía doìng âiãûn seït 
- Biãn âäü cuía doìng âiãûn seït : I s 
P 
- Âäü däúc cuía doìng âiãûn seït : 
P 
 : Âäü âäúc cuía doìng âiãûn seït 
4) C ư ờng đ ộ hoạt đ ộng của sét : 
Theo từng vùng hay từng đ ịa ph ươ ng thì ng ư ời ta biểu thị c ư ờng đ ộ hoạt đ ộng của sét bằng số ngày hoặc số giờ có sét hằng n ă m 
Ngày có sét : là ngày có sét xuất hiện ít nhất 1 lần từ 0h đ ến 24h. Do đó, cường độ hoạt động của sét như sau: 
Vùng xích đ ạo : 100-150 ngày/n ă m 
Vùng nhiệt đ ới : 75-100 ngày/n ă m 
Vùng ôn đ ới: 30-50 ngày/n ă m 
-Mật đ ộ sét/ngày sét (m s ): là số lần sét đ ánh xuống 1 km 2 mặt đ ất trong 1 ngày sét: ms = (0,1 - 0,15) lần/ km 2 .ngày 
 - Mật độ sét/năm (M s ): là số lần sét đ ánh xuống 1 km 2 mặt đ ất trong 1 năm. 
II) Bảo vệ chống sét đ ánh thẳng (trực tiếp): 
Dùng hệ thống thu sét: 
Bộ phận thu sét :kim ,dây 
Bộ phận nối đ ất 
Bộ phận liên lạc (dây nối dất) 
1) Xác đ ịnh phạm vi bảo vệ của 1 cột chống sét: 
MFX 
h 
R =3,5h 
H o =20h : đ ộ cao đ ịnh h ư ớng 
1,6h 
 Để xác đ ịnh bán kính bảo vệ ở thì ông ta đư a vào mô hình 1 cây kim có đ ộ cao là h x . Cho kim di chuyển thì sẽ xác đ ịnh d ư ợc bán kính bảo vệ tới hạn r x . 
r x 
Ph ươ ng trình xác đ ịnh bán kính bảo vệ: 
h x 
1.5h 
0.75h 
0.75h 
1.5h 
h 
2/3h 
0.8h 
2) Xác đ ịnh phạm vi bảo vệ của 2 cột chống sét: 
Khu vực có xác suất 100% phóng đ iện vào cột chống sét có bán kính R= 3,5h 
Nh ư vậy nếu nh ư có 2 cột thu sét đ ặt cách nhau 1 khoảng a = 7h thì mọi đ iểm trên mặt đ ất nằm giữa 2 cột sẽ không bị sét đ ánh 
 Từ đó suy ra rằng nếu 2 cột TS đ ặt cách nhau 1 khoảng a< 7h thì nó sẽ bảo vệ đư ợc đ ộ cao h o nằm giữa 2 cột thoả mãn 
đ iều kiện: 
3) Xác đ ịnh phạm vi bảo vệ của nhiều cột chống sét: 
Nếu công trình có đ ộ cao h x nằm bên trong đ a giác hình thành bởi các cột sẽ đư ợc bảo vệ an toàn nếu thoả mãn đ iều kiện sau đ ây: 
Trong đ ó D là d ư ờng kính ngoại tiếp đ a giác 
r x 
D 
r x2 
r x3 
r x1 
1 
2 
3 
r ox1 
r ox2 
r ox3 
a 12 
a 23 
a 13 
4) Xác đ ịnh phạm vi bảo vệ của 1dây chống sét: 
b x 
b x 
h x 
Ph ươ ng trình xác đ ịnh bề rộng bảo vệ: 
1.2h 
0.6h 
0.6h 
1.2h 
Thông th ư ờng dây chống sét dùng bảo vệ cho dây dẫn mà do đ ó ng ư ời ta không quan tâm đ ến bề rộng của phạm vi bảo vệ mà chủ yếu là quan tâm đ ến góc bảo vệ ( α ) 
Góc bảo vệ ( α )là góc giữa đư ờng thẳng thẳng đ ứng đ i qua dây chống sét và đư ờng thẳng nối liền giữa dây chống sét và dây dẫn 
Có thể tính đư ợc trị số giới hạn của góc bảo vệ α : 
b x 
b x 
h x 
1.2h 
0.6 
0.6h 
1.2h 
5) Xác đ ịnh phạm vi bảo vệ của 2dây chống sét: 
 Nếu 2dây TS đ ặt cách nhau 1 khoảng s mà s< 4h thì nó sẽ bảo vệ đư ợc đ ộ cao h o nằm giữa 2 dây thoả mãn đ iều kiện: 
s 
h o 
s 
H o 
III) Các yêu cầu kỹ thuật bảo vệ sét đ ánh thẳng (trực tiếp) 
bằng hệ thống thu sét: 
1) Công trình cần đư ợc bảo vệ an toàn phải nằm gọn trong phạm vi bảo vệ của hệ thống chống sét 
- Đối với hệ thống đ iện và trạm phân phối có U 110 kV do có mức cách đ iện cao cho nên có thể cho phép đ ặt hệ thống thu sét ngay trên bản thân công trình 
2) Hệ thống thu sét có thể đ ặt ngay trên bản thân công trình hoặc đ ặt cách ly với công trình tuỳ thuộc vào đ iều kiện cụ thể : 
III) Các yêu cầu kỹ thuật bảo vệ sét đ ánh thẳng (trực tiếp) 
 bằng hệ thống thu sét: 
Đối với hệ thống đ iện và trạm phân phối có U 35kV thì phải đ ặt hệ thống thu sét cách ly với công trình 
Xác đ ịnh S k ,S đ đ ể không gây phóng đ iện ng ư ợc Điện áp tại A : U A =Is.Rxk 
Điện áp tại B : 
 U B =I s .R xk + 
Để không gây phóng đ iện ng ư ợc từ B đ ến công trình (không khí) thì: 
C ư ờng đ ộ đ iện tr ư ờng trung bình trong khoảng không 
gian đ ó phải nhỏ hơn c ư ờng đ ộ bắt đ ầu gây phóng đ iện 
trong không khí 
Suy ra : 
3) Dây nối đ ất trong hệ thống thu sét: 
T ươ ng tự đ ể không gây phóng đ iện trong đ ất (từ A đ ến công trình) 
Phải đ ảm bảo tiết diện đ ể thoả mãn đ iều kiện ổn đ ịnh nhiệt và chống ă n mòn 
Nếu dây có đư ờng kính bằng 10 mm trở lên thì đ ảm bảo đ iều kiện ổn đ ịnh nhiệt