Mô hình hóa quá trinh thu sét của thiết bị thu lôi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

- LÊ HẢI ĐĂNG MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH THU SÉT CỦA THIẾT BỊ THU LÔI BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN HÀ NỘI - 2010 LÊ HẢI ĐĂNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN 2007-2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- LÊ HẢI ĐĂNG MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH THU SÉT CỦA THIẾT BỊ THU LÔI BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP Chuyên ngành: HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.
- NGUYỄN ĐÌNH QUANG HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
- 7 - Chương 1: TÍNH CHẤT CỦA PHÓNG ĐIỆN KHOẢNG CÁCH LỚN TRONG KHÔNG KHÍ.
- Tổng quan về hiện tượng phóng điện khoảng cách lớn trong không khí.
- Một streamer phát triển dài.
- 18 - 1.2.3 Dòng điện và trường ở đằng sau phần đầu của streamer.
- Nguyên lý của quá trình phát triển tia tiên đạo.
- Sự cần thiết của tăng nhiệt độ không khí.
- Tốc độ phát triển của tia tiên đạo.
- Tia tiên đạo phát triển dài.
- Điện áp đảm bảo cho phóng điện khoảng cách lớn.
- Tia tiên đạo âm.
- 37 - Chương 2: HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN SÉT TRONG KHÍ QUYỂN - 38 - 2.1.
- Tổng quan về hiện tượng phóng điện sét.
- Cấu trúc của đám mây dông.
- Phóng điện sét âm từ đám mây dông xuống mặt đất.
- Quá trình phóng điện ngược.
- Dòng phóng điện ngược.
- Dạng sóng của phóng điện ngược.
- Điện trường và từ trường tạo ra bởi phóng điện ngược.
- Điện tích và năng lượng của tia sét.
- Nghiên cứu sét ở Việt Nam.
- Phân bố dông trên lãnh thổ Việt Nam.
- Bản đồ phân vùng mật độ sét ở Việt Nam.
- 65 - Chương 3: MỘT SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP.
- Phương pháp tính toán chống sét cổ điển.
- Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi.
- Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi.
- Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu lôi.
- Phương pháp mô hình điện hình học.
- Nội dung lý thuyết mô hình điện hình học.
- Nghiên cứu hiệu quả bảo vệ của cột thu lôi Franklin bằng phương pháp mô hình điện hình học.
- 82 - Chương 4: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP.
- Mô tả lý thuyết mô hình.
- Mô hình tia tiên đạo từ đám mây dông.
- Điện tích tia tiên đạo.
- Tốc độ phát triển tia tiên đạo.
- Tính toán điện trường và điện thế gây ra bởi điện tích tia tiên đạo.
- Mô hình tia tiên đạo từ kim thu sét.
- Điện tích và vận tốc tia tiên đạo từ kim thu sét.
- Điều kiện hình thành tia tiên đạo từ mặt đất.
- Lựa chọn hướng phát triển của tia tiên đạo.
- Điều kiện để các tia tiên đạo có thể gặp nhau.
- 105 - Chương 5: ĐÁNH GIÁ VÙNG BẢO VỆ CỦA CỘT THU LÔI BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP.
- Công cụ để tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi theo mô hình nghiên cứu.
- Kết quả tính toán phạm vi bảo vệ cột thu lôi theo mô hình nghiên cứu.
- 4 - MỞ ĐẦU Dông sét là hiện tượng thiên nhiên thường gặp, đặc biệt là ở một nước nằm ở tâm dông châu Á như Việt Nam.
- Hiện nay, việc tính toán bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vẫn dựa trên việc xác định phạm vi bảo vệ của cột thu lôi theo phương pháp cổ điển của Liên Xô (cũ) hoặc phương pháp mô hình điện hình học.
- Các phương pháp này đều được tính toán trên cơ sở các công thức mang tính thực nghiệm, các công thức đó được xây dựng thông qua nghiên cứu mô hình phóng điện khoảng cách lớn trong không khí trong phòng thí nghiệm cao áp, đặc biệt là trong quá trình tính toán chưa đề cập một cách đầy đủ các đặc tính vật lý của quá trình phóng điện sét trong khí quyển.
- Ngoài ra, hiện nay các thiết bị thu lôi phát xạ sớm đang ngày càng được ứng dụng một cách rộng rãi trong hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp.
- Tuy nhiên, với những hạn chế của nó, các phương pháp cổ điển không thể đánh giá một cách tin cậy hiệu quả của các thiết bị thu lôi phát xạ sớm này.
- Do vậy, để có một cách đánh giá đầy đủ hơn phạm vi bảo vệ của các hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp, luận văn đưa ra một cách tiếp cận mới bằng cách xây dựng mô hình quá trình thu sét của các thiết bị thu lôi trong đó có tính đến các đặc tính vật lý của quá trình phóng điện sét trong khí quyển.
- Nguyễn Đình Quang đã nhiệt tình chỉ bảo và đóng góp những ý kiến quý báu cho tôi trong quá trình nghiên cứu đề tài này.
- 5 - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT MHĐHH : Mô hình điện hình học - 6 - DANH MỤC CÁC BẢNG Ký hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Thông số của tia tiên đạo nhận được từ thực nghiệm 32 Bảng 1.2 Thông số của phóng điện khoảng cách lớn 33 Bảng 2.1 Tham số của tia sét điện tích âm từ đám mây dông xuống đất 52 Bảng 2.2 Bảng 2.2: Bảng so sánh số ngày dông và số lần phóng điện sét trên 100km2 mặt đất và ở một số khu vực trên thế giới 63 Bảng 2.3 Trị số dự kiến mật độ sét theo khu vực 64 Bảng 3.1 Hệ số Krs và n 76.
- 7 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Ký hiệu Tên hình vẽ và biểu đồ Trang Hình 1.1 Hình ảnh streamer hướng về cathode 13 Hình 1.2 Hình ảnh của một tia tiên đạo dương 16 Hình 1.3 Hình ảnh phần đầu của streamer hướng về cathode và phân bố định tính mật độ electron ne và mật độ điện tích không gian n.
- ne và điện trường phân bố dài dọc theo trục 16 Hình 1.4 Tần số ion hóa các phân tử chất khí bởi va chạm electron trong điều kiện bình thường 19 Hình 1.5 Phân bố điện thế U, điện trường E, dòng điện I và mật độ electron tự do tại các thời điểm khác nhau cho đến khi streamer dừng phát triển 23 Hình 1.6 Phân bố thế dọc theo vật dẫn trong điện trường đồng nhất 25 Hình 1.7 Sự kích thích streamer tại mỗi đầu của vật dẫn trong điện trường đồng nhất 26 Hình 1.8 Streamer phát triển trong điện trường đồng nhất E0=7,7kV/cm 27 Hình 1.9 Streamer phát triển trong điện trường đồng nhất E0=10kV/cm 28 Hình 1.10 Hình ảnh về phần đầu của tia tiên đạo 30 Hình 1.11 Streamer âm từ một cathode hình cầu bán kính 50cm tại xung điện áp âm 1,8MV và thời gian xung là 50µs 34 Hình 1.12 Hình ảnh một tia tiên đạo âm phát triển trong phòng thí nghiệm 35 Hình 1.13 Hình ảnh một tia tiên đạo âm trong giai đoạn hình thành 36 Hình 1.14 Streamer hướng về anode (1) và streamer hướng về cathode (2).
- (3) phóng điện hình thành bởi hồ quang âm.
- (4) tia tiên đạo âm đang hình thành 36 - 8 - Hình 2.1 Bốn dạng phóng điện sét theo Berger (1978) 38 Hình 2.2 Phân bố cổ điển điện tích trong một đám mây dông 42 Hình 2.3 Mô hình lý thuyết về phân bố điện tích trong đám mây đối lưu 42 Hình 2.4 Hình ảnh biểu diễn quá trình phóng điện từ đám mây dông xuống mặt đất bao gồm 3 lần phóng điện ngược và dòng điện sét tương ứng 45 Hình 2.5 Tia tiên đạo âm từ đám mây đi xuống 46 Hình 2.6 Sự hình thành một tia tiên đạo đi lên từ một tòa tháp cao 70m tại đỉnh San Salvatore 47 Hình 2.7 Phân bố thống kê của dòng điện cực đại của phóng điện ngược và xấp xỉ logarit của chúng 51 Hình 2.8 Xung dòng điện sét phóng điện ngược lần thứ nhất của tia sét cực tính âm trong 2 tỉ lệ thời gian khác nhau 53 Hình 2.9 Phân bố các tham số xung dòng điện sét của phóng điện ngược 54 Hình 2.10 Biểu diễn xung điện và từ trường của tia sét tại vùng ở gần (hình trên) và ở xa (hình dưới) tương ứng với khoảng cách 2km và 100km 55 Hình 2.11 Đường phân bố xác suất biên dộ dòng sét tại Việt Nam 58 Hình 2.12 Đường phân bố xác suất độ dốc dòng sét tại Việt Nam 59 Hình 2.13 Phân bố dông trên lãnh thổ Việt Nam 61 Hình 2.14 Bản đồ phân vùng mật độ dông sét tại Việt Nam 66 Hình 3.1 Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi 68 Hình 3.2 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi 69 Hình 3.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét 71 Hình 3.4 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao khác nhau 72 Hình 3.5 Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét theo V.
- Bazutkin 72 - 9 - Hình 3.6 Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu lôi 74 Hình 3.7 Định hướng tia tiên đạo tới công trình trên mặt đất 75 Hình 3.8 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi Franklin 77 Hình 3.9 Phạm vi bảo vệ của cột thu lôi ứng với dòng điện I 79 Hình 3.10 Phương pháp quả cầu lăn áp dụng cho kim thu sét có độ cao h 80 Hình 3.11 Phạm vi bảo vệ và parabol thu sét của kim thu sét có độ cao h.
- 82 Hình 3.12 Một số thiết bị thu lôi phát xạ sớm 84 Hình 4.1 Biểu diễn từng bước quá trình phóng điện sét 87 Hình 4.2 Phân bố điện tích trong tia tiên đạo từ đám mây dông 90 Hình 4.3 Tốc độ của tia tiên đạo từ đám mây dông và tia tiên đạo từ mặt đất thay đổi theo độ cao trong quá trình lan truyền 92 Hình 4.4a Mô hình tính toán điện trường, điện thế gây ra bởi một đoạn nhỏ tia tiên đạo 94 Hình 4.4b Mô hình tính toán điện trường, điện thế gây ra bởi phần điện tích Q tập trung ở đầu tia tiên đạo 95 Hình 4.5 Sự thay đổi của ERizk và EL theo độ cao của kim thu sét 100 Hình 4.6 Sự thay đổi E0C theo độ cao và bán kính kim thu sét 101 Hình 4.7 Các trường hợp có thể xảy ra giữa các đại lượng E0C, ERizk, EL khi ERizk < EL 102 Hình 4.8 Các trường hợp có thể xảy ra giữa các đại lượng E0C, ERizk, EL khi ERizk > EL 103 Hình 5.1 Mô tả thuật toán 108 Hình 5.2 Tia tiên đạo âm từ đám mây đông bị chặn bởi tia tiên đạo dương từ kim thu sét 109 Hình 5.3 Tia tiên đạo âm từ đám mây đông không bị chặn bởi tia tiên đạo dương từ kim thu sét Hình 5.5 Kết quả tính toán với cường độ dòng điện sét I=10kA và I=40kA 111 Hình 5.6 Kết quả tính toán với cường độ dòng điện sét I=20kA và I=50kA 112 Hình 5.7 Ảnh hưởng của yếu tố vận tốc tương đối của tia tiên đạo đối với kết quả tính toán phạm vi bảo vệ của cột thu lôi Chương1TÍNHCHẤTCỦAPHÓNGĐIỆNKHOẢNGCÁCHLỚNTRONGKHÔNGKHÍ Chương này sẽ đề cập đến quá trình phóng điện khoảng cách lớn trong không khí.
- Ngày nay, nhiều phòng thí nghiệm cao áp trên thế giới đã có khả năng tạo ra và nghiên cứu về phóng điện trong không khí với khoảng cách lớn tới hàng chục thậm chí hàng trăm mét [8].
- Những kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, nhiều thông số cũng như tính chất của phóng điện khoảng cách lớn thu được gần với ngưỡng dưới của giá trị nhận được trong phóng điện sét [8].
- Thực tế cho thấy, hầu hết các hiệu ứng quan sát được của hiện tượng phóng điện sét sớm hay muộn cũng sẽ được mô phỏng hoặc tái tạo lại trong phòng thí nghiệm [8].
- Do vậy, việc nghiên cứu các tính chất của phóng điện khoảng cách lớn trong không khí là không thể bỏ qua khi nghiên cứu về hiện tượng phóng điện sét.
- 1.1. Tổng quan về hiện tượng phóngđiện khoảng cách lớn trongkhôngkhíĐiểm mấu chốt trong phóng điện khoảng cách lớn là làm sao để một kênh dẫn có thể phát triển trong điện trường yếu, với cường độ điện trường có thể nhỏ hơn từ 1 đến 2 lần so với giá trị cần thiết để tạo ra mật độ electron tự do cần thiết trong không khí (Ei ≈ 30kV/cm trong điều kiện bình thường).
- Lấy thí dụ về phóng điện khoảng cách trong điện trường không đồng nhất.
- Gần một bản cực với bán kính cong nhỏ (giả sử đây là một anode hình cầu với bán kính ra ≈ 1-10cm), điện trường là Ea(ra.
- Đây là điểm khởi đầu của kênh phóng điện.
- Tại khoảng cách r = 10ra từ tâm của điện cực, phần đầu (tip) của kênh sẽ đi vào vùng không gian giữa 2 điện - 12 - cực, ở đó giá trị của điện trường là E = Ea(ra/r)2 bằng 1/100 giá trị điện trường trên bề mặt điện cực.
- Giá trị điện trường yếu như vậy không đủ khả năng để gây ra hiện tượng ion hóa.
- Tuy nhiên, thực tế kênh dẫn vẫn tiếp tục phát triển, biến đổi không khí trung hòa giữa hai điện cực thành dạng plasma.
- Không có một cách giải thích hợp lý nào cho thực tế này, ngoại trừ lý thuyết về sự tăng cục bộ điện trường tại đầu kênh dẫn.
- Sự tăng cục bộ này là do hoạt động của điện tích trong bản thân kênh dẫn.
- Dòng điện sẽ phát sinh trong kênh dẫn, và có sự dịch chuyển điện tích dương từ anode (chính xác hơn là từ nguồn điện áp cao mà nối với anode).
- Sau đó, vùng điện trường mạnh sẽ dịch chuyển qua vùng không gian giữa 2 điện cực, mà ở đó hiện tượng ion hóa xuất hiện và tạo ra các phần mới của kênh plasma.
- Người ta gọi hiện tượng đó là sóng ion hóa (ionization wave).
- Cơ chế hình thành dạng sóng của phóng điện khe hở được đề xuất từ những năm 1930 bởi L.
- Các thực nghiệm chỉ ra rằng tốc độ phát triển của streamer có thể đạt tới 107 m/s [8].
- Vấn đề đặt ra là cần phải làm rõ phương thức của các quá trình tạo ra các thành phần mang điện liên quan đến sự vận động của electron trong điện trường mà nhờ đó vùng streamer dịch chuyển qua không gian giữa 2 điện cực.
- Tính tự nhiên của phóng điện chọc thủng không bị giới hạn bởi hiện tượng ion hóa bởi vì tham số quyết định của nó là điện thế tại đầu kênh dẫn Ut, giá trị của điện thế này có thể nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị Ua ở trên điện cực do dẫn suất của kênh là có giới hạn và điện thế sẽ giảm dọc theo kênh.
- Do vậy, để phân tích sự lan truyền của streamer với khoảng cách lớn cần có những hiểu biết về mật độ electron đằng sau đầu sóng và dòng điện - 13 - dọc theo kênh để tính toán điện trường gây ra bởi streamer và nhận được từ đó sự suy giảm điện thế trên kênh.
- Đồng thời điện trường và dòng điện trong kênh còn giúp ta xác định được tổn thất năng lượng ở trong kênh dẫn.
- Hình 1.1: Hình ảnh streamer hướng về cathode: U0(x) là điện thế bên ngoài, U(x) là điện thế dọc trục của streamer Streamer tạo ra hiện tượng plasma mà nếu không có hiện tượng này, sẽ không có khả năng vận chuyển một lượng lớn điện tích vào vùng không gian giữa 2 điện cực.
- Song song với quá trình đó, kênh sẽ liên tục bị mất electron, nguyên nhân là sự kết hợp giữa electron và các ion dương để tạo ra các phân tử trung hòa và sự kết hợp electron với các phân tử trung hòa tạo thành các ion âm.
- Nếu nhiệt độ vùng không khí để streamer lan truyền không đủ cao và năng lượng cấp tới kênh không đủ lớn để tăng nhiệt độ lên đáng kể (lên tới hàng ngàn độ) [8], quá trình mất electron sẽ diễn ra rất nhanh, do bản thân quá trình kết hợp electron đã giới hạn thời gian tồn tại electron chỉ còn 10-7s [8].
- Đây là một giá trị rất nhỏ không chỉ đối với mô hình sét mà còn đối với mô hình phóng điện trong phòng thí nghiệm, nơi mà thời gian hoàn tất quá trình phóng điện là từ Cathode nối đất Anode

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt