Phần 2:Các điều kiện môi trường xuất hiện trong thiên nhiên | Lượng mưa và gió

2721-2-2 IEC 2
EC-72122.DOC
721-2-2 IEC 1

IEC-72122

UỶ BAN KỸ THUẬT ĐIỆN QUỐC TẾ
______

PHÂN LOẠI CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG

Phần 2:Các điều kiện môi trường xuất hiện trong thiên nhiên
Lượng mưa và gió

Download Tiêu chuẩn IEC 721-2-2
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI TỰA
1. Phạm vi áp dụng
2. Mục tiêu
3. Tổng quát
3.1 Lượng mưa.
3.2 Gió
4. Các đặc tính.
4.1 Mưa.
4.3 Tuyết
4.4 Gió.
5. Phân loại
5.1 Mưa bình thường
5.2 Mưa rào
5.3 Sự hình thành nước đá.
5.4 Mưa đá
5.5 Tải trọng tuyết
5.6 Tuyết di chuyển
5.7 Lực của gió.

_______

LỜI NÓI ĐẦU

1)

2)
3) Những quyết định và thoả thuận chính thức của IEC về những vấn đề kỹ thuật được chuẩn bị
bởi các Uỷ ban Kỹ thuật Quốc gia quan tâm tới các vấn đề này,thể hiện trong khả năng lớn nhất có thể được một thoả thuận quốc tế về các vấn đề xem xét.

Những qyết định này có dạng những khuyến nghị Quốc tế và được thoả thuận như vậy bởi các Uỷ ban Quốc gia.

Nhằm mục đích khuyến khích sự thống nhất Quốc tế,IEC thể hiện sự mong muốn tất cả các Uỷ ban Quốc gia chấp nhận văn bản khuyến nghị của IEC trong những Quy tắc quốc gia của họ,trong chừng mực mà các điều kiện quốc gia cho phép.Tất cả những khác nhau giữa khuyến nghị của IEC
và quy tắc quốc gia tương ứng phải,trong chừng mực có thể được,được chỉ ra bằng những những thuật ngữ rõ ràng trong quy tắc quốc gia.
LỜI TỰA

Tiêu chuẩn này đã được chuẩn bị bởi Uỷ ban Kỹ thuật số 75:Phân loại các điều kiện môi trường.
Văn bản của tiêu chuẩn này căn cứ trên những tài liệu sau:

Quy tắc Sáu tháng Báo cáo biểu quyết
75(CO)41 75(CO)46

Báo cáo bỏ phiếu nêu trong bảng trên cho tất cả các thông tin dẫn tới sự chấp thuận của tiêu chuẩn này.

Nên ghi nhận rằng tiêu chuẩn này có một phần của sê-ri giành cho các chủ đề sau:

-Phân loại các tác nhân môi trường và tính khắc nghiệt của chúng( ấn phẩm 721-1 )
-Những điều kiện môi trường xuất hiện trong thiên nhiên(ấn phẩm 721-2)
-Phân loại các nhóm thông số môi trường và tính khắc nghiệt của chúng (ấn phẩm 721-3)
Những ấn phẩm sau đây của IEC được nêu ra trong tiêu chuẩn này:

Các ấn phẩm số 721-1(1981): loại các điều kiện môi trường,Phần 1:Phân loại các thông số môi trường và tính khắc nghiệt của chúng.
721-3: Phần thứ ba: Phân laọi các nhóm các tác nhân môi trường và tính khắc nghiệt của chúng
PHÂN LOẠI CÁC ĐIÊU KIỆN MÔI TRƯỜNG

Phân 2: Các điều kiện môi trường xuất hiện trong thiên nhiên
Lượng mưa và gió
_____

1. Phạm vi áp dụng

Phần này của tiêu chuẩn trình bày,các tính chất chủ yếu,các đại lượng đặc trưng và sự phân loại các điều kiện môi trường phụ thuộc vào lượng mưa và gió về những liên quan tới các sản phẩm kỹ thuật điện.
Mục đích của phần này là để sử dụng như tài liệu cơ bản khi người ta lưa chọn những khắc nghiệt liên quan tới lượng mưa và gió để áp dụng cho một sản phẩm..

Khi lựa chọn tính khắc nghiệt liên quan đến mưa và gió, nên áp dụng những trị số đã cho trong ấn phẩm IEC 721-1.

2. Mục tiêu
Xác định những đặc tính của lượng mưa và gió như cơ sở cho những khắc nghiệt mà những sản phẩm có khả năng chịu đựng trong vận chuyển,lưu kho và sử dụng.

3. Tổng quát
Khí quyển của Quả đất luôn chuyển động.Tuỳ theo từng nơi nó nóng,lạnh hoặc ẩm.Những gradient của các khối lốn cuối cùng tạo ra các vùng có áp xuất cao và thấp.Gió cân bằng không thổi trực tiếp từ những vùng có áp xuất cao đến những vùng có áp xuất thấp,nhưng bị chệch bởi lực Cô-ri-ô-li do sự quay của Quả-đất.

Chuyyển động ngang liên tục có thể gây một chuyển động chậm từ dưới lên trên ở các diện tích rất rộng,hay sự nóng lên trên bề mặt có thể làm cho dòng nhiệt lên được định vị hơn.Không khí không thể giữ hàm lượng nước dưới dạng hơi nếu có sự giảm đủ về áp xuất và nhiệt độ,và những lương mưa có thể hình thành.Ví dụ,một khối không khí ở 200C có khả năng chứa 17,3g/m3 nước ở trạng thái hơi.Lạnh tới 00C,hàm lượng nước tối đa chỉ là 4,8 g/m3 nước.

3.1 Lượng mưa.
Dạng đăc biệt của lượng mưa,mưa,mưa đá hay tuyết,là kết quả của quá trình phức tạp trong mây.Nhiệt độ trong một đám mây thay đổi theo chiều thẳng đứng.Mức ở đó có nhiệt độ O0C được coi như mức quy chiếu (mức làm đóng băng ).

Ở bên trên mức làm đóng băng , nhiệt độ là dưới 00C, ở bên dưới , nhiệt độ là trên 00C

Trong một đám mây ở bên trên mức đóng băng , những giọt nước rất lạnh nói chung vẫn tồn tại trong giải nhiệt độ giữa 00C và -130C; nhưng trong những trường hợp đặc biệt, nhiệt độ này có thể xuống tới -500C.

Sự hình thành các giọt nước mưa hay các tinh thể nước đá phụ thuộc vào các điều kiện khác nhau, ví dụ dòng không khí thẳng đứng, sự phân phối nhiệt độ và hành trình do các giợt nước nhỏ hay các tinh thể nước đá ở bên trong đám mây.
Nếu trong khi rơi những hạt nước nhỏ hay các tinh thể nước đá gặp các lớp ở đó nhiệt độ là dương và duy trì dương, thì chúng biến thành những giọt và chạm đất dưới dạng mưa. Trong một vài trường hợp, những giọt đó có thể tiếp tục to ra trong khi rơi xuống.
Tốc độ sẽ tăng cùng với đường kính các giọt (xem hình 1, trang 20). Với một kích thước đường kính từ 5mm đến 6mm và một tốc độ tương ứng 9m/s, những giọt to chia thành những giọt nhỏ hơn, và đến lượt chúng, có thể to ra trong khi rơi. Kết quả là các giọt có đường kính giới hạn lớn hơn 5mm hay 6mm .

Những giọt nước mưa có thể xuyên qua những lớp đảo ngược của nhiệt độ trong khí quyển, những lớp mà ở đấy nhiệt độ lại giảm xuống dưới không độ. Khi đó những giọt đó động lại thành những hạt mưa đá và chạm đất dưới dạng đó. Chúng cũng có thể vẫn ở dạng những giọt rất lạnh tới khi chúng gặp một bề mặt và chúng hình thành mưa đá, bởi vì chúng sẽ đóng băng ngay lập tức khi găp bề mặt.Một tình huống khác có thể xẩy ra là các dòng khí đâng lên có thể đem các giọt tới các miền cao hơn có nhiệt độ âm,và sự thực hiện sự đóng băng .Cỡ của những giọt mưa đá có thể tăng lên bởi sự hình thành sương giá trên bề mặt.Có thể có một sự lặp lại các quá trình đông và chảy và các hạt mưa đá có thể đạt tới một đường kímh đáng kể.Kích thước lớn nhất ghi được là 140 mm (Coffeyville,Kansas,3-9-1970).Tuy nhiên,những đường kính như vậy rất đăc biệt.

Nếu nhiệt độ duy trì dưới không trong suốt khi rơi,những tinh thể nước đá duy trì dưới dạng rắn và chạm đất dưới dạng tuyết.Tuỳ các điều kiện,các tinh thể có thể to lên thành một số lớn các dạng khác nhau nhưng đều đặn,và hình thành các bông tuyết.Chúng có thể đạt tới đường kính 1 cm,nhưng rất nhẹ.

3.2 Gió

Những hệ thống gió toàn cầu trong khí quyển là hàm số của nhiệt độ cao của những vùng xích đạo và của những vùng cực có nhiệt độ thấp,kết hơp với tác động của sự quay của Quả đất.Nói chung gió ở gần mặt đất liên quan tới việc lưu kho,vận chuyển và sử dụng các sản phẩm, nhưng đối với một vài áp dụng phía trên trên mặt đất, cần phải xem xét gió ở độ cao. Trong phần dưới của khí quyển, gió phụ thuộc vào sự đốt nóng khu vực do bức xạ mặt trời, và hình dạng của mặt đất, có tính đến các công trình xây dựng và các trở ngại khác.

Tác động của những điều kiện địa phương là sự tạo ra những sự rối loạn về nhiệt và sự rối loạn cơ học do cọ sát hoặc bị cắt của gió. Ban ngày, sự chuyển động của không khí ở gần bề mặt của quả đất là sự kết hợp của hai nguyên nhân đó; nhưng, ban đêm, chủ yếu những rối loạn vì cơ học chiếm ưu thế

Hiệu quả của những rối loạn này về gió tạo ra những đợt gió mạnh. Tần số của những cơn gió mạnh là ngẫu nhiên , nhưng nói chung với những khoảng cách thời gian trong một vài giây. Những tốc độ của gió có thể rất lớn trong bão, ví dụ cuồng phong hay vòi rồng. Ở mặt đất, tốc độ vượt quá 80m/s đã được ghi lại trong những vùng bão của các nước nhiệt đới và á nhiệt đới, và những tốc độ có thể tới 125m/s có thể có ở những cơn lốc ,tuy nhiên xác xuất tốc độ như thế rất bé

4. Các đặc tính.

4.1 Mưa.

Mưa được đặc trưng bằng các thông số sau đây:
-Cường độ mưa, đo bằng milimét trên giờ (chiều cao nước tích lại trên một bề mặt ngang không tháo nước)
– sự phân bố kích thước của các giọt
– sự phân bố tốc độ rơi
– nhiệt độ các giọt mưa

Những thông số khác, như chất bẩn hoà tan do ô nhiễm không khí, muối biển, v.v., không được xem xét ở đây, kể cả nếu chúng có tác động quan trọng đến các sản phẩm.

Một bản kê các thông số đặc tính cho các loại mưa khác nhau cho trong bảng I dưới đây

BẢNG I
Các đặc tính của mưa (trung bình trong một thời gian dài)1

Loại mưa
Cường độ giới hạn trên
(mm/h)
Đường kính đặc tính của giọt(mm)

Tốc độ rơi
(m/s)
Mưa rất nhẹ Vết2 0,01 – 0,1 < 0,25
Mưa nhẹ 1,0 0,1 – 0,5 0,25 – 1
Mưa vừa 4,0 0,5 – 1,0 1 – 2
Mưa nặng hạt 15 1,0 – 2,0 2 – 4
Mưa mạnh 40 2,0 – 5,0 4 -7
Mưa như đổ nước >100 >3,0 >6

Ghi chú 1.. Những cường độ mưa cho trong ấn phẩm 721 — 3 của IEC là cường độ đỉnh ngắn hạn
2.. “Vết” là thuật ngữ khí tượng học cho một cường độ mưa thấp hơn 1mm/h

Nhiệt độ của hạt mưa bình thường sẽ như của một bầu ẩm của một ẩm kế hút; nhưng nó có thể hơi khác, ví dụ trong một cơn mưa lẫn các tinh thể nước đá hay lức bắt đầu của một thời kỳ mưa.

4.2 Mưa đá

Mưa đá được đặc trưng bởi các thông số vật lý của những hạt mưa đá sau:
— Đường kính,
— Tỷ khối,
— Tốc độ rơi,
— Năng lượng va chạm.

Chỉ có những hạt mưa đá có những đường kính lớn được xem xét ở đây vì hậu quả phá huỷ của chúng; nhưng với những hạt mưa đá có đường kính nhỏ hơn thường phổ biến hơn. Tỷ khối của các hạt mưa đá khoảng 900kg/m3. Tốc độ rơi được xác định bằng công thức:
trong đó:
v là tốc độ rơi. m/s
d là đường kính hạt mưa đá, mm
Năng lượng chạm như vậy được tính theo khối lượng (đường kính, tỷ khối) và tốc độ rơi. Bảng II cho các đặc tính của các hạt mưa đá với những đường kính 20mm và lớn hơn

BẢNG II

Các đặc tính của các hạt mưa đá
Đường kính
(mm)

Khối lượng
(g)
Tốc độ rơi
(m/s)
Năng lượng chạm
(J)
20 4 23 1
50 59 36 39
60 102 40 81
70 162 43 151
80 241 46 257
90 344 49 411
100 471 52 627

Ghi chú: — Các trị số được làm tròn

4.3 Tuyết

Tuyết gồm những bông có đường kính vài milimét và có tỷ khối nhỏ. Tuy nhiên, dưới tác động của gió mạnh, những tinh thể tuyết bị vỡ và thành những hạt nhỏ xuống tới 20m, trung bình là 80m. Tỷ khối của tuyết khi rơi xuống mặt đất khác nhau rất lớn. Tuyết mới rơi có tỷ khối từ 70kg/m3 đến 150kg/m3, trong khi đó tỷ khối của tuyết cũ là 200kg/m3 đến 400kg/m3.

4.4 Gió.

Tốc độ của gió bị ảnh hưởng rất nhiều của phong cảnh địa phương và độ cao trên mặt đất. Bề mặt của đất càng không đều, tốc độ của gió ở gần mặt đất càng giảm như vậy, có thể có sự khác nhau đáng kể giữa tốc độ gió ở gần mặt đất và ở các độ cao khác nhau trên mặt đất. Bảng III cho hình ảnh của hiệu quả này
BẢNG III
Ảnh hưởng của chiều cao và của bề mặt đến tốc độ gió
Độ cao ở
Tốc độ tương đối của gió trên những bề mặt khác nhau bằng phần trăm của
trên mặt đất tốc độ gió ở độ cao 500m (%)
(m) Trung tâm thành phố, nhà lớn Quận ngoại thành, vùng rừng Đất phẳng, biển
500 100 100 100
300 82 92 100
100 53 68 86
30 32 48 71
10 21 36 60
3 13 25 49
5. Phân loại

Mưa, mưa đá, tuyết và gió có thể có những hậu quả khác nhau với các sản phẩm, hoặc riêng rẽ, hoặc bởi các hậu quả kết hợp hoặc kết hợp với các tác nhân môi trường khác.

Một vài ví dụ cho các thông số đơn lẻ và kết hợp được cho dưới đây
5.1 Mưa bình thường

Mưa rơi với các cường độ rất khác nhau thay đổi theo vĩ độ, khí hậu và mùa. Nói chung người ta nêu nên lượng mưa nhiều nhất trong những mưa giông nhiệt đới và những cơn bão xoáy
Một kỷ lục thế giới về cường độ mưa là 30mm trong một phút. Mưa rơi như vậy thường ngắn, ví dụ mưa giông ít khi kéo dài hơn 0,5h.

Mưa bình thường có các giọt có kích cỡ và tốc độ khác nhau. Những đặc tính của các giọt phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và độ ẩm trong khí quyển. Những điều kiện khí quyển này sẽ gây sự bốc hơi từng phần hay toàn bộ trong khi chúng rơi. Nói chung, nhiệt độ ở mặt đất càng cao thì độ ẩm tương đối càng lớn và kích cỡ trung bình của các giọt càng lớn . Kết quả là , mưa nhệt đới nói chung có những giọt lớn hơn những giọt mưa ở các nước ví dụ như Bắc – Âu, (xem hình 2, trang 20)

5.2 Mưa rào

Mưa rào là kết hợp giữa mưa và gió. Gió thêm tốc độ ngang vào tốc độ rơi và có thể hơn nữa, tạo ra một áp thấp . Chính bản thân mưa cũng có thể tạo ra một áp thấp như thế bởi hiệu ứng làm lạnh do nhiệt độ thấp. Ở vùng nhiệt đới, một cường độ 130mm/h kết hợp với tốc độ gió 30m/s là trung bình giờ tối đa để dự kiến. Trị số đỉnh trong một phút của cường độ mưa có thể cao hơn đáng kể trung bình giờ tối đa nêu trên, đạt tới 20mm trong vùng nhiệt đới, và trên 10mm trong phần còn lại của thế giới.

5.3 Sự hình thành nước đá.

Sự hình thành của nước đá xẩy ra như một sự kết hợp của mưa rơi xuống một bề mặt lạnh dưới 00C (ví dụ do sự bức xạ do một đêm trời quang) hay bởi những giọt nước mưa rất lạnh đông lại khi chạm. Độ dầy của nước đá lên tới 75mm có thể xẩy ra trên các cột tháp ăng ten hoặc những cấu trúc cao tương tự.

5.3.1 Sương muối

Sương muối hình thành khi không khí ẩm tiếp xúc với một bề mặt lạnh ở nhiệt độ dưới 00C và động lại trên bề mặt đó. Sương muối hình thành nói chung khi tốc độ gió nhỏ. Tồn tại những tinh thể hình kim và dính nhẹ vào các bề mặt

5.3.2 Sương giá

Sương giá hình thành bởi những sự chạm nhiều lần và sự đông của những giọt nước nhỏ rất lạnh rơi vào một vật. Nó có dạng đặc tính “đuôi của các con tôm” bởi vì tại những điểm khi nó dính vào thì nhỏ và rồi to ra về hướng gió thổi tới và tạo thành những hạt nhỏ. Trong những vùng núi, sương giá có thể tăng lên đến 30mm/h trên một vật hay 30cm trong một đêm. Sương giá có thể đến cùng một lúc với tuyết gây nên một lớp phủ rất lớn trên một vật thích hợp. Những lớp lớn nhất 150mm gần mặt đất tăng tuyến tính tới 500mm tới độ cao 100mm bên trên mặt đất không bị loại trừ. Tỷ khối của những lớp này khoảng 200kg/m3

5.3.3 Nước đá trong

Nước đá trong hình thành khi những giọt mưa rất lạnh đông lại trên một bề mặt. Nó rắn hoặc đục hay trong. Nó có thể tạo một cấu trúc gồm các lớp đục mờ hay trong suốt xếp chồng lên nhau với những bọt khí nhỏ trong cấu trúc đó. Nước đá trong không có dạng đặc biệt. Nó rắn chắc,

tỷ khối lớn và độ dính lớn. Nước đá trong hình thành khi nhiệt độ thấp và tốc độ gió cao

5.3.4 Váng băng

Váng băng hình thành khi những giọt nước mưa rất lạnh rơi xuống một bề mặt và một màng nước đá hình thành trước khi đông. Tỷ khối và độ dính cao và không có bọt không khí

5.3.5 Quá trình tạo băng

Kiểu hình thành nước đá phụ thuộc

— Nhiệt độ không khí,
— Tốc độ gió,
— kích thước các giọt nước nhỏ chậm chảy,
— lượng nước ở trạng thái chảy.

Những hình 3 và 4, cho mối quan hệ giữa các kiểu hình thành và đường kính các giọt nhỏ, tốc độ gió và nhiệt độ.

Sự hình thành của nước đá trên một bề mặt có dạng hình trụ phụ thuộc vào:

— bán kính hình trụ,
— tốc độ gió,
— đường kính các giọt nước.
Một trị số giới hạn của bán kính có thể tìm thấy cho một tốc độ và cho mỗi một dường kính những giọt nhỏ, không hoặc rất ít nước đá hình thành ở trị số lớn hơn của đường kính đó.

5.4 Mưa đá

Trong phần lớn thế giới, những giọt mưa đá có đường kính tới 20mm có thể xẩy ra; những đường kính vượt quá 50mm ít khi xẩy ra

5.5 Tải trọng tuyết

Tải trọng tuyết tối đa thường gặp ở những miền phía nam của các vùng có mùa đông lạnh (ở bắc bán cầu, và ngược lại ở nam bán cầu), và đặc biệt trong các miền của những vùng có khí hậu biển. Người ta dự kiến , trong những miền đó tải trọng tuyết 2kPa tương ứng với chiều dầy 2m tuyết mới hay 0,7m tuyết cũ. ở miền núi, nó có thể 10 lần lớn hơn

5.6 Tuyết di chuyển

Tuyết di chuyển là sự kết hợp giữa tuyết và gió. Trong những điều kiện này, tuyết có thể chứa rất nhiều hạt nhỏ có khả năng lọt qua các khe hẹp hoặc các mối nối của các sản phẩm. Dòng ngang của tuyết di chuyển giảm nhanh theo khoảng cách ở trên mặt đất. Người ta có thể dự kiến những trị số tối đa sau, cho trong bảng IV

BẢNG IV
Trị số tối đa dòng ngang tuyết di chuuyển
Độ cao ở trên mặt đất
(m)
Dòng ngang của tuyết
(g/(m2.s))

10 310
1 560
0,5 800
0,1 3000

5.7 Lực của gió.

Kực gió tác động lên các cấu trúc một lực tuỳ theo tốc độ trung bình như kích cỡ và dạng của vật với một tấm vuông góc với chiều gió, lực sẽ được cho theo công thức

F = 0,65v2A
trong đó:
F là lực tính theo Newton
v là tốc độ gió trung bình, m/s
A là diện tích của tấm, m2

Những đợt gió gây nên những xung ngắn, trong một vài trường hợp, có thể là định kỳ và gây nên những rung động với biên độ lớn nếu nó cộng hưởng với tần số tự nhiên của cấu trúc. Tần số của những đợt này nói chung thấp hơn 1Hz.
Một hiện tượng đặc biệt là sự hình thành một cơn lốc kép gió xoáy từ một hình trụ vuông góc với chiều của gió. Sự hình thành này tác động như một lực định kỳ trên một hình trụ vuông góc với chiều của gió. Tần số của lực được cho bởi công thức
trong đó:
f là tần số, hertz
v là tốc độ của gió, m
d là đường kính của hình trụ, m