Đồ án Bảo vệ chống sét sử dụng thiết bị hãng indelec

Chương 1 DẪN NHẬP I. ĐẶT VẤN ĐỀ : Con người xa xưa sợ sấm Sét, nó được xem là cơn giận của thần linh. Mãi đến thế kỷ XIIX, Sét mới được xem xét như là một hiện tượng thiên nhiên bằng các phương pháp khoa học đã tìm ra bản chất điện của nó. Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất, hay giữa các đám mây mang điện tích trái dấu. Sét xuất hiện ngẫu nhiên và giải phóng một năng lượng rất lớn. Nó luôn đe dọa tính mạng con người; phá hoại tài sản. Trong khung cảnh rất nhiều công trình và thiết bị hiện đại, một tia Sét không lường trước chỉ trong vài phần triệu giây, có thể gây nên những hư hỏng vật chất lớn lao và các thiệt hại khủng khiếp. Nó có thể gây, làm hư hỏng các hệ thống điện, điện thoại, máy tính và đồng thời gây nên thiệt hại về doanh thu đáng kể do việc sản xuất hoặc cung ứng dịch vụ bị ngưng trệ.... Do vậy, bảo vệ chống Sét trực tiếp cho công trình và chống Sét lan truyền cho thiết bị của các công trình là yêu cầu bức thiết. Nhiều thiết bị chống Sét của các chuyên gia khoa học đã lần lượt ra đời : Năm 1752 : Benjamin Franklin khám phá ra kim thu Sét. Chứng minh rõ tính chất điện của Sét. Năm 1880 : Một nhà vật lý người Bỉ, Mell Seul nhận ra việc bảovệ các lâu đài bằng hợp lại các thanh kim loại trên mái bằng, hay mái nhọn với nhiều dây nối đất, bảo vệ lưới. Năm 1914 : Thể nghiệm khả quan về kim chống Sét đơn giản của Hongrois Ziliard và Francais Dozere. Những thiết bị chống Sét cổ điển nêu trên phần nào đó đã hạn chế những tác hại do Sét gây ra, tuy vậy mức độ an toàn tin cậy và tính thẩm mỹ khi lắp đặt các thiết bị này cho các công trình còn ở mức hạn chế. Năm 1986 : Các nhà khoa học - chuyên về lĩnh vực chống Sét đã không ngừng áp dụng những tìm tòi hiểu biết rõ hơn hiện tượng vật lý của Sét, mở ra một thời kỳ mới dùng việc bố trí các điện cực phát tăng cường ion hóa mà tất cả các nguồn năng lượng là tự động. Có nhiều loại thiết bị chống Sét của nhiều hãng khác nhau. Một trong những thiết bị chống Sét mới nhất hiện nay đã đăng ký bản quyền trên toàn thế giới là kim thu Sét PREVECTRON, một sản phẩm của hãng INDELEC (Pháp). PREVECTRON là một thiết bị thu Sét tạo tia tiên đạo, với thiết bị tự động kích phóng điện tích; hoạt động tin cậy đảm bảo cho một vùng bảo vệ rộng. Do đó để bảo vệ chống sét, giảm tác hại của sét gây ra ta phải tính vùng tập trung tương đương và lựa chọn cấp bảo vệ thích hợp. Đề tài :”BẢO VỆ CHỐNG SÉT SỬ DỤNG THIẾT BỊ HÃNG INDELEC” .Đây là đề tài thiết kế chống sét sử dụng thiết bị thu sét tạo tia tiên đạo hiện đại nhất cuả Pháp – PREVECTRON - INDELEC và dùng phần mềm MATLAB để tính toán lựa chọn cấp bảo vệ. II. GIỚI HẠN VẤN ĐỀ : Đây là đề tài hoàn toàn mới mẻ, người thực hiện đã cố gắng tìm tòi học hỏi tiếp thu những công nghệ và thông tin tiến bộ nhất của nước Pháp- một nước đang chiếm vị trí hàng đầu trong lĩnh vực chống sét cùng với việc sử dụng phần mềm MATLAB để tính toán lựa chọn cấp bảo vệ cho công trình. Với thời gian thực hiện đề tài rất ngắn chỉ trong vòng hai tháng, điều kiện làm việc còn nhiều khó khăn, cho nên tài liệu thu thập để tham khảo không nhiều, kinh nghiệm thực tế còn ít ỏi, tập đồ án này chỉ nghiên cứu vấn đề ở mức độ sau: Lý thuyết chống sét. Giới thiệu phần mềm MATLAB . Tính tóan chống sét cho một công trình cụ thể. III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU : Lĩnh hội những kiến thức khoa học mới mẻ, tiến bộ trên thế giới được xem như là điều động viên kích động năng lực khám phá, tìm hiểu của giới trẻ ngày nay, nhất là các tầng lớp sinh viên, công nhân kỹ thuật, các kỹ sư mới ra trường... Tập đồ án này là một nỗ lực nhằm đáp ứng phần nào yêu cần nêu trên; mà mục tiêu trước mắt là giúp cho bản thân và các đồng nghiệp tiếp cận thêm với nền kỹ thuật chống Sét hiện đại của Pháp và sử dụng phần mềm MATLAB để tính chọn cấp bảo vệ cho công trình; mục tiêu xa hơn là áp dụng vào đời sống thực tiển để tính chọn cấp bảo vệ cho công trình và các toà nhà cao tầng ... Tuy nhiên, đề tài này còn ở mức thô sơ và mang tính chủ quan, chưa nghiên cứu vấn đề một cách hoàn thiện; ngoài ra phần mềm MATLAB này còn rất mới mẻ đối với người nghiên cứu, chỉ được học rất ít trong chương trình, do đó chưa đạt được mức độ hoàn hảo. Hy vọng rằng trong tương lai, chúng ta sẽ tìm ra được giải pháp chống Sét hiện đại hơn, đảm bảo an toàn cho nguời và thiết bị. IV. THỂ THỨC NGHIÊN CỨU : Trước hết người thực hiện đi thu thập và khảo sát tất cả những tài liệu có liên quan về lý thuyết chống Sét của Pháp. Trên cơ sở đó, người nghiên cứu biên soạn lại toàn bộ lý thuyết chống Sét theo trình tự hệ thống và cách sử dụng phần mềm MATLAB để tính vùng tập trung tương đương, lựa chọn cấp bảo vệ. Khi đã hội đủ các giải pháp tiêu chuẩn, người nghiên cứu tiến hành tính toán thiết kế chống Sét cụ thể cho một công trình nhằm kiểm tra mối liên hệ giữa lý thuyết với phần thực hành. Đề tài được thực hiện theo kế hoạch phân bố thời gian như sau: - Tuần 1 : Chọn đề tài - Tuần 2 và tuần 3 : Soạn đề cương - Tuần 4 : Thu thập dữ kiện - Tuần 5 : Xử lý dữ kiện - Tuần 6 đến tuần 7 : Viết nháp và sửa chữa - Tuần 8 và tuần 9 : Viết và trình bày bảng chính - Tuần 10 : Thời gian dự trữ. V.PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH LIÊN HỆ : Công trình liên hệ với đề tài: Xây dựng phương án chống Sét cho các công trình thông tin trên mạng viễn thông Việt Nam. Chủ đề tài : Nguyễn Văn Dũng Cộng tác viên : Đỗ Minh Lê Huy Tịnh Nguyễn Thị Tâm Nguyễn Minh Tuấn Tổng công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam - Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện, Hà Nội, 1996. A- PHẦN TÓM TẮT : Đề tài này được viết bao gồm 4 phần: Phần I : Hiện trạng trang bị và tình trạng hư hỏng do Sét gây ra đối với các công trình thông tin trên mạng viễn thông Việt Nam. Phần II : Xây dựng phương án chống Sét. Phần III : Mô hình chống Sét tại một trạm liên hợp. Phần IV : Phương án lựa chọn các phần tử bảo vệ. B- ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI : * Ưu điểm : Các tác giả viết đề tài này đã hệ thống hóa toàn bộ những kiến thức cơ bản có liên quan về lĩnh vực chống Sét theo một hệ thống logic. Đề tài phi hợp lý với quy trình kế hoạch chống Sét của nước ta hiện nay. Đề tài được sử dụng cho đối tượng đang tìm hiểu nghiên cứu về chống Sét nhất là các sinh viên thuộc các trường kỹ thuật, các kỹ sư, công nhân kỹ thuật... * Hạn chế : Tác giả viết đề tài này mang nặng tính chủ quan. Hầu như không nói đến tên tài liệu tham khảo nào, kể cả tài liệu ngoài nước để cho người đọc có thể tham khảo mở rộng thêm kiến thức của mình. C- PHẦN LIÊN HỆ : Người nghiên cứu đã sử dụng một số bảng tra cứu trong đề tài này như: Bảng số 3:”Số ngày dông trung bình trong năm ở một số địa phương của Việt Nam”. Bảng số 4, “ Giá trị điện trở suất của một số loại đất”. VI. XÁC ĐỊNH TỪ NGỮ : 1. Phóng điện Sét : Là sự phóng điện trong khí quyển giữa đám mây với đất, bao gồm một hay nhiều xung dòng (trong trường hợp phóng điện lặp lại). 2. Sét : Là sự phóng điện Sét từ đám mây với đất, cường độ dòng Sét lên đến hàng trăm KA. 3. Điểm Sét : Là điểm nằm trên mặt đất bị phóng điện Sét, có thể là một điểm trên công trình hoặc tiếng thu Sét... 4. Vùng bảo vệ của hệ thống chống Sét : Là vùng mà nếu bị phóng điện Sét thì điểm bị Sét đánh sẽ là kim thu Sét. 5. Mậät độ phóng điện Sét Ng : Là số lần phóng điện Sét trong một năm trên một Km2. Một lần phóng điện Sét thông thường có vài lần phóng điện lặp lại. 6. Hệ thống bảo vệ chống Sét (LPS): Là hệ thống đầy đủ được lắp đặt trên công trình hay trong một khu vực rộng để bảo vệ chống Sét. Hệ thống này bao gồm các thiết bị đặt bên ngoài và bên trong công trình (nếu cần thiết). 7. Lắp đặt hệ thống bảo vệ chống Sét bên ngoài (ELPI) : Hệ thống này bao gồm các đầu thu Sét, một hoặc nhiều dây dẫn Sét, một hay nhiều điểm tiếp đất. 8. Lắp đặt hệ thống bảo vệ chống Sét bên trong (ILPI) : Hệ thống này bao gồm tất cả các thiết bị nhằm giảm thêm các ảnh hưởng điện từ gây bởi dòng Sét. 9. Thiết bị dẫn Sét tạo tia tiên đạo (ESE): Là loại đầu thu Sét bao gồm một kim thu Sét cùng với một loại thiết bị đặc biệt có khả năng tạo ra một đường dẫn Sét chủ động về phía trên nhanh và cao hơn các kim loại thông thường. 10. Quá trình phát ra đường dẫn Sét : Là hiện tượng vật lý giữa sự khởi đầu của hiệu ứng Corona đầu tiên và sự lan truyền một đường dẫn Sét về phía trên. 11. Độ lợi về thời gian tạo tia tiên đạo (DT) : Đại lượng DT là độ lợi về thời gian tạo đường dẫn Sét chủ động về phía trên của đầu thu Sét loại tia tiên đạo so với các loại kim thu Sét thông thường ở trong cùng một điều kiện. 12. Các thành phần tự nhiên : Đó là những cấu trúc nằm bên ngoài hoặc bên trong công trình hay nằm sâu trong tường (cốt thép của bê tông, khung nhà thép...) mà có thể dùng thay thế một phần hay tất cả dây dẫn Sét hay chỉ là phần dẫn Sét bổ sung. 13. Thanh nối cân bằng thế : Là những thanh kim loại dùng để nối tất cả các thành phần kim loại tiếp xúc với đất nằm trong công trình, các vỏ máy, vỏ cáp thông tin, điện lực... với hệ thống chống Sét. 14. Dây dẫn cân bằng thế : Là những dây dẫn dùng để nối cân bằng thế. 15. Sự phóng điện nguy hiểm : Là sự phóng điện phát sinh dòng Sét. 16. Khoảng cách an toàn : Là khoảng cách tối thiểu mà không xảy ra sự phóng điện nguy hiểm. 17. Cấu trúc chịu lực : Cấu trúc thép dùng trong nhà xưởng nếu có điện trở nhỏ hơn 0,01 Ohm thì có thể dùng thay thế dây dẫn Sét. 18. Dây dẫn Sét : Là một phần của hệ thống chống Sét dùng để dẫn dòng Sét vào đất qua một hệ thống nối đất. 19. Điểm kiểm tra/đầu cách ly : Đầu cách ly là một thiết bị có khả năng cách ly để kiểm tra hệ thống nối đất tại điểm kiểm tra. 20. Điện cực đất : Là một hàng, một nhóm các điện cực của hệ thống nối đất mà tiếp xúc trực tiếp với đất và có tác dụng tản dòng Sét vào đất. 21. Hệ thống nối đất : Là một hoặc nhóm các vật dẫn được chôn sâu trong đất nhằm tản dòng Sét vào đất. 22. Điện trở của hệ thống nối đất : Là điện trở giữa điểm kiểm tra của hệ thống nối đất và đất. 23. Thiết bị chống quá điện áp xung : Là thiết bị giới hạn sự quá điện áp xung gây bởi dòng Sét. 24. Quá điện áp quá độ do phóng điện trong khí quyển : Sự quá điện áp này chỉ tồn tại trong vài ms, dao động biên độ hoặc không dao động, thường xảy ra trong môi trường ẩm ướt cao. 25. Cấp bảo vệ : Là mức độ bảo vệ của hệ thống chống Sét đối với công trình. * Ghi chú : Khái niệm cấp bảo vệ không áp dụng cho các loại chống Sét van. 26. Vùng tập trung tương đương Ac : Là diện tích mặt phẳng trên mặt đất có khả năng bị số lần Sét đánh giống như công trình ở cùng một điều kiện. Chương 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN Việc quyết định thiết kế hệ thống bảo vệ chống Sét cho các công trình đòi hỏi phải dựa vào hai yếu tố sau: đó là khả năng Sét tại vùng đó và tác hại của Sét đối với công trình. Hiện tượng Sét là hiện tượng thiên nhiên, do đó không thể đảm bảo độ an toàn tuyệt đối cho các cấu trúc cần bảo vệ. Tuy nhiên, nếu một hệ thống bảo vệ chống Sét được thiết kế và lắp đặt đúng theo một tiêu chuẩn nào đó, sẽ đảm bảo độ an toàn cao nhất cho các công trình, giảm đến mức thấp nhất tác hại của Sét. Khi đưa ra giải pháp phòng chống Sét bất kỳ một chuyên gia của một quốc gia nào cũng phải thông qua việc nghiên cứu, tìm hiểu rõ bản chất, hiện tượng vật lý, nguồn gốc xuất hiện của Sét; và các thông số của Sét như biên độ dòng Sét, thời gian đầu sóng, độ dốc dòng điện Sét, độ dài dòng điện Sét, xác suất xuất hiện biên độ và độ dốc dòng điện Sét, cũng như các tác hại do Sét đánh trực tiếp hay do sự lan truyền sóng điện từ gây bởi dòng Sét. Từ đó đưa ra các biện pháp phòng chống có hiệu quả. Thiết bị hỗ trợ cho việc phòng chống Sét lại là những trang thiết bị cơ bản chính yếu cho một hệ thống chống Sét của khu vực, công trình cần bảo vệ. Các thiết bị này được các chuyên gia về lĩnh vực chống Sét sáng tạo ra, cần thiết phải đảm bảo độ tin cậy an toàn, bền vững khi có hiện tượng dòng Sét xảy ra. Như vậy các thiết bị này phải có những ưu điểm nổi bật riêng về cấu tạo, chức năng hoạt động cũng như vấn đề thẩm mỹ khi lắp đặt chúng. Có thể so sánh các thiết bị chống Sét cổ điển với thiết bị chống Sét hiện đại ngày nay; và nhận thấy rằng, các hệ thống chống Sét cổ điển mặc dù hạn chế được phần nào tác hại do Sét gây ra nhưng vẫn còn ở mức độ hạn chế. Cụ thể, thực tế cho thấy phương pháp chống Sét theo kiểu Flanklin không tin cậy lắm. Rất nhiều các trường hợp chứng minh sự không tin cậy của kim thu Sét kiểu Franklin trong đó Sét không đánh vào cột mà đánh ngay bên cạnh. Một trong các lý do là khi tính vùng bảo vệ chống Sét phương pháp Franklin chỉ chú ý đến độ cao của thiết bị thu Sét mà không kể đến ảnh hưởng của biên độ, tần suất xuất hiện dòng Sét, cũng như điều kiện khí tượng khu vực. Mặt khác khi lắp đặt hệ thống chống Sét theo kiểu Franklin phải cần nhiều kim thu Sét trên các độ cao của công trình và nhiều hệ thống dây dẫn Sét chằng chịt gây mất thẩm mỹ và không đảm bảo độ an toàn. Trong những năm gần đây, cơ chế Sét đã được nghiên cứu hiểu biết tốt hơn, nhiều phát minh ra những thiết bị bảo vệ có hiệu quả. Nước Pháp một trong những quốc gia chiếm vị trí hàng đầu trong lĩnh vực chốùng sét hiện đại. Thiết bị chống sét của INDELEC được khám phá, thành lập năm 1955, mỡ đầu một kỷ nguyên mới, đăng ký bản quyền trên toàn thế giới về kỷ thuật chống sét bằng kim thu sét tạo tia tiên đạo PREVECTRON. Kết quả thử nghiệm kim PREVECTRON tại hiện trường trong những năm 1993-1995 tại Plorida Mỹ thu thập nhiều kết quả sau: Thời gian phát triển tia tiên đạo hướng lên của kim thu sét PREVECTRON sớm hơn so với kim thu sét đơn giản Franklin trong cùng điều kiện sét thực . Hoạt động hiệu qủa của PREVECTRON dựa vào hệ thống kích dùng độ dốc của điện trường, khi nó đạt giới hạn thì cho lệnh khởi động phóng tia tiên đạo hướng lên. Chịu đựng được ngay cả đối với những cú sét có 8 lần phóng điện mỗi lần 10KA. Phương pháp này cho phép kiểm tra độ bền cơ khí, điện kháng, ảnh hưởng hiệu ứng điện động, cảm ứng điện ra xung quanh. Ngoài các thiết bị chống sét trực tiếp như kim thu sét, dây thoát sét, hệ thống thiết bị nối đất. Các thiết bị sau đây không thể thiếu được trong một hệ thống bảo vệ chống sét hoàn hảo. * Máy đếm sét được thiết kế để đếm và trình bày thông số những cú sét thật sự xảy ra cho một kiến trúc công trình. * Thiết bị chống sét lan truyền được thực hiện theo nguyên tắc chống quá điện áp bậc thang. Sóng quá điện áp có dạng xung gia tăng đột ngột ( do sét hay do các thao tác đóng cắt trên lưới), do đó có khả năng gây hư hỏng các thiết bị điện đặc biệt là các thiết bị điện tử nhạy cảm. Năng lượng trong một sóng dao động như vậy có thể giảm xuống nhờ 2 lớp cắt sóng và lọc sóng. *Lớp cắt sóng năng lực cao đặt ở tuyến đầu làm giảm phần lớn năng lượng của sóng. *Điện áp dư sau khi qua lớp thứ nhất sẽ được giảm đến mức cho phép của thiết bị phía sau nhờ lớp lọc sóng dùng thiết bị biến trở. Do các thiết bị bảo vệ chốùng sét trực tiếp và chốùng sét lan truyền luôn được cải thiện hàng năm. Do đó cũng quan trọng trong việc cải thiện các dự báo theo các tiêu chuẩn và quy định quốc tế; nhằm cung cấp thông tin chính xác cho các nhà thiết kế hệ thống chống sét cho các công trình và các khu vực công cộng. Các tiêu chuẩn này phải đề ra các quy định và khái niệm chung bao gồm phạm vi áp dụng và đối tượng cần bảo vệ, sự lắp đặt hệ thống chống sét nằm bên ngoài công trình được thực hiện như thế nào. Nói chung tất cả vật liệu, kích thước, kiểu mã của các thiết bị phục vụ cho công việc thiết kế hệ thống chốùng sét phải được tính toán, tra cứu, chọn lựa đúng theo tiêu chuẩn an toàn của quốc gia đó phát hành. Dùng phần mềm MATLAB nhập vào các thông số cần thiết để tính toán lựa chọn cấp bảo vệ cho công trình, mật độ Sét hằng năm trong vùng diện tích tập trung tương đương Ac của công trình cần được bảo vệ sẽ giúp xác định sự có cần thiết phải bảo vệ cho công trình hay không. Trong giai đoạn thiết kế thi công chống sét cho công trình, nhà máy cụ thể dùng thiết bị của INDELEC và sử dụng phần mềm MATLAB cần phải đặc biệt chú ý các vấn đề sau: Xác định vị trí của tất cả các thành phần trong hệ thống chốùng sét như kích thước của công trình, vị trí địa hình, địa chất của công trình (nằm đơn độc trên đồi cao,nằm cạnh các công trình khác cao hơn hay thấp hơn ). Tầm quan trọng của những dịch vụ trong công trình, có người thường xuyên hay không, vật liệu loại gì, có giá trị hay không, có gây ảnh hưởng đối với môi trường không. Xác định những điểm dể bị sét đánh nhất. Hình dạng và độ dốc của mái, loại mái, tường và những cấu trúc kim loại khác như các bồn nước, bồn chứa xăng dầu, bơm nước tháp angten. Xây dựng phương án chống sét trực tiếp và chống sét lan truyền cho công trình bằng cách so sánh kinh tế kỹ thuật giữa các phương án với nhau để tiến hành chọn một phương án thích hợp. Tính toán lựa chọn cấp bảo vệ cho các bộ phận khu vực có khả năng sét đánh vào, dùng phần mềm MATLAB để mô phỏng, từ đó tính vùng bảo vệ cho công trình. Chọn thiết bị và lắp đặt hệ thống chống sét cho công trình theo tiêu chuẩn an toàn quốc gia PHÁP (NFC 17 –102 7/1995). Việc lựa chọn các phần tử bảo vệ phải đảm bảo các tiêu chuẩn, độ tin cậy đảm bảo tuổi thọ và khả năng làm việc trong môi trường. Ngoài chỉ tiêu kỹ thuật các phần tử bảo vệ được