11/2/2011 76
Chương 9. BV QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN
9.1. SÉT VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN SÉT
1. Sét:
Là sự phóng điện tia lửa trong khí quyển giữa các đám mây tích
điện trái dấu hoặc giữa các đám mây với đất.
Khi bảo vệ chống sét cho người, các công trình và thiết bị trên
mặt đất chúng ta cần quan tâm đến sự phóng điện giữa các đám
mây và đất.
2. Sự hình thành sét: Sự hình thành sét gắn liền với sự hình thành các
đám mây giông. Các đám mây giông tạo thành do các luồng
khôngkhis nóng ẩm từ mặt đất bốc lên đi vào vùng nhiệt độ âm, hơi
nước ngưng tụ thành các tinh thể băng. Các đám mây mang điện là
do kết quả của các luồng không khí mãnh liệt tách rời nhau tạo ra
các điện tích trái dấu và tập trung chúng trong các phần khác nhau
của đám mây.
Các kết quả quan trắc cho thấy, 80% phần dưới của mây có cực tính
âm, còn ở phần trên của đám mây thường tích các điện tích dương.
11/2/2011 77
9.1. SÉT VÀ QUÁ TRÌNH PHÓNG ĐIỆN SÉT
3. Quá trình phóng điện của sét
Phần dưới các đám mây giông được tích điện âm, do đó cảm ứng
trên mặt đất những điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ
điện không khí khổng lồ. Theo đà tích luỹ các điện tích âm của đám
mây, cường độ điện trường của tụ mây-đất sẽ tăng dần lên và nếu
tại chỗ nào đó cường độ điện trường đạt tới trị số tới hạn 25  30
KV/cm thì không khí sẽ bị ion hoá tạo thành dòng plasma và bắt đầu
trở nên dẫn điện, mở đầu cho quá trình phóng điện của sét.
Phóng điện sét có thể chia làm 3 giai đoạn chính:
 Phóng điện tiên đạo
 Phóng điện ngược (phóng điện chủ yếu)

 Kết thúc quá trình phóng điện
Các giai đoạn phóng điện có thể hình dung qua dòng điện sét biến
thiên theo thời gian như hình vẽ (trang bên).
11/2/2011 78
3. Quá trình phóng điện của sét
i
s
t
GĐ phóng điện
tiên đạo 100

1000 km/s
i
s
t
i
s
t
GĐ phóng điện ngược
v = 6.10
4

10
5
km/s
i
s
t
Hình thành KV ion hoá
mãnh liệt gần mặt đất

Kết thúc PĐ
11/2/2011 79
9.2. THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT
i
S,
KA
t, s

đs

s
I
S
Dßng ®iÖn sÐt theo thời gian
I
S
/2
Dòng điện sét được ghi lại bởi các
máy hiện sóng cực nhanh có dạng
đường hình vẽ.
Hai tham số quan trọng nhất của
phóng điện sét là biên độ dòng điện
sét I
S
và độ dốc đầu sóng a.
1. Biên độ dòng điện sét
Kết quả đo lường cho thấy biên độ
sét I
S
biến thiên trong phạm vi

rộng từ vài kA đến hàng trăm kA
và được phân bố theo quy luật
thực nghiệm:
30
10
S
I
I
v


30
lg
S
I
I
v 
Hay:
I
S
: Biên độ dòng điện sét, kA
v
I
: Xác suất xuất hiện sét có biên độ ≥ I
S
 Vùng đồng bằng:
 Vùng trung du và miền núi:
1,26
60
10

S
S
I
I
I
ev



60
lg
S
I
I
v 
Hay:
11/2/2011 80
9.2. THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT
2. Độ dốc đầu sóng
 Trong trường hợp tổng quát, độ dốc đầu sóng a được định nghĩa là
đạo hàm của dòng điện sét theo thời gian:
)/( skA
dt
di
a
s


7,15
36

10
a
a
a
ev



36
lg
a
v
a

Hay:
Khi tính toán, đầu sóng dòng điện sét thường được thay bằng
đường thẳng xiên góc có độ dốc trung bình:
skA
I
a
ds
s
tb


/50
 Xác suất xuất hiện dốc đầu sóng (xác định theo thực nghiệm):
 Cho vùng đồng bằng:
 Cho miền núi:
82,7

18
10
a
a
a
ev



18
lg
a
v
a

Hay:
11/2/2011 81
9.2. THAM SỐ CỦA PHÓNG ĐIỆN SÉT
• Trong tính toán có khi cần phải đồng thời xét đến cả hai yếu tố: Biên
độ dòng điện sét và độ dốc đầu sóng, ta dùng xác suất phối hợp:
 Đối với vùng đồng bằng:
)
7,1526
(),(ln:)
3660
(),(lg
ai
aivhay
ai
aiv

s
s
s
s

 Đối với vùng miền núi:
)
18
30
(),(lg
ai
aiv
s
s

11/2/2011 82
9.3. CƯỜNG ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA SÉT
Cường độ hoạt động của sét tại các vùng lãnh thổ (hoặc khí hậu) có
thể được biểu thị thông qua 2 đại lượng n
ngs
và m
S
.
• Số ngày sét trong năm n
ngs
< 5Vùng khí hậu hàn đới
30

50
Vùng khí hậu ôn đới

60

100
Vùng khí hậu nhiệt đới
100

150
Vùng xích đạo
N
ngs
(ngày/năm)Vùng lãnh thổ
Theo đề tài KC.03.07 nước ta có: n
ngs
= 100; n
ngsmax
= 114
• Mật độ sét m
S
(là số lần có sét đánh trên 1km
2
diện tích ứng với 1
ngày có sét).
Thường m
S
= 0,1

0,15.
Vậy số lần sét đánh trên diện tích 1km
2
mặt đất trong 1 năm sẽ là:

N
j
=m
S
n
ngs
= (0,1

0,15) n
ngs
11/2/2011 83
9.4. TÁC HẠI CỦA SÉT VÀ ND CƠ BẢN BẢO VỆ CS
1. Tác hại của sét
• Khi sét đánh trực tiếp
• Khi sét đánh gián tiếp
2. ND cơ bản bảo vệ chống sét
• Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp
• Bảo vệ chống sét lan truyền và cảm ứng
11/2/2011 84
9.5. B.VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP
1. Khái quát chung
Để hạn chế thiệt hại về người và của do sét đánh
trực tiếp có nhiều biện pháp ngày càng hoàn thiện nhưng
đều dựa vào nguyên lý cổ điển do Franklin phát minh ra
vào năm 1752, đó là: dùng vật thu sét (kim thu sét, dây
thu sét, ) đặt cao hơn vật cần bảo vệ rồi nối với hệ
thống nối đất có điện trở nhỏ bằng các dây (hoặc thanh)
dẫn kim loại có tiết diện hợp lý để tản dòng điện sét.
Mục đích dùng các vật đặt cao hơn công trình, thiết
bị là để khi xuất hiện hiện mây giông, các vật thu này sẽ

tập trung điện tích từ mặt đất, tạo nên một cường độ điện
trường lớn giữa vật thu sét và mây sẽ định hướng phóng
điện về phía mình để tạo nên một không gian an toàn
cho công trình, thiết bị cần bảo vệ.
11/2/2011 85
1
3
2
1. Kim thu sét;
2. Dây dẫn (thanh dẫn);
3. Điện cực nối đất.
Như vậy, để BVCS đánh trực tiếp thì HTCS sẽ có 3 bộ phận:
11/2/2011 86
1. Khái quát chung (tiếp)
Cột thu sét thường dùng để bảo vệ các công trình, thiết bị, nhà
xưởng chống sét đánh thẳng, ngoài ra người ta còn có thể dùng phối
hợp với dây chống sét.
Đối với các đường dây tải điện trên không dùng DCS.
Để bảo vệ chống sét các đường dây tải điện, nên treo dây chống sét
trên toàn bộ tuyến đường dây là tốt nhất trong việc bảo đảm vận
hành an toàn và liên tục cung cấp điện nhưng làm như vậy rất tốn
kém.
Trong thực tế, tuỳ theo tầm quan trọng của đường dây mà người ta
có thể bố trí dây chống sét trên toàn tuyến hay không:
 Thường các đường dây có điện áp 110 KV trở lên được bảo vệ trên
toàn tuyến đồng thời được phối hợp với khe hở phóng điên, chống
sét ống hoặc tăng số lượng bát sứ ở những nơi hay bị sét đánh, cột
vượt cao và chỗ giao chéo với đường dây khác hay ở những đoạn
nối với trạm.
 Các đường dây điện áp đến 35KV ít được bố trí bảo vệ trên toàn

tuyến mà bảo vệ trên các đoạn hay bị sét đánh và đoạn 1  2 km
trước khi nối với trạm biến áp.
11/2/2011 87
2. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét (Franklin)
a. Nguyên lý chung:
MFX
Đất
Cột TS
Điện cực (đầu tia
tiên đạo)
Mô hình xác định phạm vi bảo vệ của cột TS:
Tấm KL
Khoảng không gian gần cột thu sét mà vật được bảo vệ đặt
trong đó, rất ít khả năng bị sét đánh gọi là vùng hay phạm vi bảo vệ
của cột thu sét.
11/2/2011 88
h
r
2h/3
Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét
theo thực nghiệm
P
h
h
h
r
x
a
x



1
.6,1
Trên cơ sở nghiên cứu các mô hình, người ta thấy rằng
phạm vi bảo vệ của một cột thu sét được giới hạn bởi
hình nón tròn xoay có đường sinh gãy khúc ở độ cao
2h/3 (hv). Bán kính bảo vệ của cột thu sét r
x
bảo vệ vật
ở độ cao h
x
được xác định bởi công thức sau:
mh
h
P 30 khi
5,5

P = 1 khi h  30m
11/2/2011 89
b. Phạm vi bảo vệ của 1 cột thu sét
r
x
h
x
h
2h/3
1,5h0,75h0,75h
1,5h
0,2h
h

a
1
2
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
đã đơn giản hoá
:
3
2
h
h
hKhi
x

:
3
2
h
h
hKhi
x

P
h
h
x








8,0
11,5h r
x
P
h
h
x






 10,75h r
x
11/2/2011 90
c. Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét
PVBV của hai cột thu sét cao bằng nhau
r
x
b
x
h
0
= h-a/7
r
x
0,2h

R
0
a
h
h
x
0,75h1,5h
 PVBV của hai cột thu sét cao bằng nhau:
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với tổng số
PVBV của hai cột thu sét đơn nếu hai cột đặt cách nhau một khoảng a < 7h.
ah
ah
a
a
x



14
7
4r 2b
x
11/2/2011 91
 Hai cột thu sét có độ cao khác nhau:
PVBV của hai cột thu sét không cao bằng nhau
r
1x
b
x
h

0
= h-a/7
h
1
0,2h
1
1,5h
1
0,75h
1
r
2x
r
1x
r
1x
h
2
1,5h
2
a
a'
K
11/2/2011 92
d. Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét
D  8h
a
D  8h
a
Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sétPhạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét

11/2/2011 93
3. Phạm vi bảo vệ của dây thu sét
:
3
2
h
h
hKhi
x

P
h
h
x







8,0
11,2h b
x
:
3
2
h
h
hKhi

x

h
x
h
2h/3
0,6h1,2h
0,2h
h
a
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét
2b
x
1,2h
0,6h
1. Phạm vi bảo vệ của 1 dây thu sét
P
h
h
x






 10,6h b
x
P
h

h
h
b
x
a
x


1
.8,0
11/2/2011 94
h
0
= h-a/4
h
x
0,2h
0
R
h
1,2h
0,6h
0,6h
1,2h
a
2. Phạm vi bảo vệ của 2 dây thu sét
11/2/2011 95
Lưu ý:
DTS
a

h = a/4
1. Vì độ treo cao trung bình của dây dẫn thường lớn hơn 2/3 độ treo
cao của dây thu sét (h
x
> 2h/3) nên có thể không cần đề cập tới phạm
vi bảo vệ mà biểu thị bằng góc bảo vệ .
Có thể tính toán được trị số của góc  là 31
0
(tg = 0,6)
Thực tế đường dây sẽ được bảo vệ khi: 20
0
< 
gh
< 30
0
.
11/2/2011 96
2. Dây chống sét càng cao, phạm vi bảo vệ càng lớn. Tuy
nhiên xác suất đánh vòng v

qua dây chống sét lại cao.
Theo kinh nghiệm vận hành, xác suất này được xác định
như sau:
4
90
lg 
h
v



 là góc bảo vệ; h là chiều cao dây thu sét
11/2/2011 97
9.6. MỘT SỐ ĐẦU THU SÉT THẾ HỆ MỚI
Hiện nay, người ta cải tiến kim thu sét nhọn kiểu
Franklin thành các loại chính sau:
• Đầu thu phóng điện sớm
• Đầu thu Laser
• Đầu thu dùng chất phóng xạ (bị cấm sử dụng năm 95)
3.4.1. Đầu thu phóng điện sớm
Xuất hiện vào khoảng những năm 60-70 của thế kỷ 20.
Nguyên lý chung của loại này như sau:
• Khi tia tiên đạo của đám mây giông xuất phát hướng về
phía mặt đất thì đầu thu phóng điện sớm có điện tích
cảm ứng và có một điện trường tích luỹ một năng lượng
trong bộ phận ion hoá.
11/2/2011 98
Khi tia tiên đạo xuống gần, năng lượng trong bộ
phận ion hoá tăng nhanh và đột ngột. Bộ phận ion
hoá giải phóng năng lượng tạo ra nhiều ion và phát
triển thành tia mở đường đi lên chủ động đón tia
tiên đạo của đám mây giông. Nhờ đó PVBV được
mở rộng.
Cột
TS
PVBV cột TS
PVBV của đầu
phóng điện sớm
1. Đầu thu phóng điện sớm
11/2/2011 99
1. Đầu thu phóng điện sớm

Thuộc loại này có các đầu thu:
Prevercton-2
1. Hệ thống thu sét trung tâm
2. Hệ thống các điện cực phía trên
3. Hộp bảo vệ bằng đồng và thiết bị tạo ion
4. Hệ thống các điện cực phía dưới
Và một số loại đầu thu khác giới thiệu
sau đây:
11/2/2011 100
C
C
Á
Á
C LO
C LO
Ạ
Ạ
I Đ
I Đ
Ầ
Ầ
U THU S
U THU S
É
É
T DO
T DO INDELEC CHẾ TẠO
prevec1
prevec1
Prevec2

Prevec2
Prevec3.40
Prevec3.40