TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT VÀ CHỐNG SÉT Lắp đặt hệ thống kim thu sét hiện đại là điều cần thiết và rất quan trọng. Trong đó, kim thu sét phát tia tiên đạo được khuyến khích sử dụng hơn cả. Đó là bởi sự hiệu quả bảo vệ và an toàn khu vực khi lắp đặt thiết bị. Ngoài ra, việc thi công cọc tiếp địa cũng cần được chú trọng. Bởi đây là một trong những thành phần giúp tiêu hao năng lượng sét nhanh chóng. Hệ thống chống sét gồm có: Kim thu sét, Dây thoát sét, Hệ thống tiếp địa (cọc tiếp địa, cáp đồng thoát sét, phụ kiện chống sét). Trong phần này, ta sẽ tìm hiểu về các bộ phận chính của hệ thống chống sét sau: · Kim thu sét: Phần lớn chúng ta sử dụng kim thu sét cổ điển, có cấu tạo từ một thanh sắt vót nhọn đầu. Hệ thống chống sét trực tiếp này được sử dụng phổ biến với chi phí rẻ, hiệu quả tốt khi sét đánh xuống trực diện. Phương pháp này ứng dụng nhiều tại các nhà ở dân dụng, khu nhà ở thấp tầng. Kim thu sét tia tiên đạo sử dụng công nghệ mới. Chúng chủ động tạo ra tia tiên đạo định hướng và thu sét về đúng vị trí của nó. Phương pháp thu sét này hiệu quả và bảo vệ gần như tuyệt đối. Được ứng dụng trong nhiều tòa nhà cao tầng, chung cư để bảo vệ công trình hiệu quả nhất. Loại kim thu sét này ít được sử dụng tại khu dân sinh bởi chúng có giá thành khá cao. · Cọc tiếp địa: Hệ thống tiếp đất gồm các cọc tiếp địa liên kết với nhau. Cọc tiếp địa và hệ thống nối đất là những bộ phận không thể thiếu trong hệ thống chống sét này. Mỗi cọc dài 2.4m được chôn sâu dưới đất ở vị trí cách móng nhà 1 – 2m. Đồng thời độ sâu của rãnh ít nhất là 0.8m. Trong quá trình lắp đặt cọc tiếp địa, cần chú ý đến điện trở của đất nơi khi công. Nếu cần thiết thì phải dùng hóa chất giảm điện trở để đưa mức điện trở về ngưỡng an toàn. Trước khi tính toán nối đất, ta cần phân biệt nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo: · Nối đất tự nhiên là sử dụng các ống dẫn nước, các cọc sắt, các sàn sắt có sẵn trong đất. Hay sử dụng các kết cấu nhà cửa, các công trình có nối đất, các vỏ cáp trong đất ... làm điện cực nối đất. Khi xây dựng vật nối đất cần phải sử dụng, tận dụng các vật nối đất tự nhiên có sẵn. Điện trở nối đất của các vật nối đất tự nhiên được xác định bằng cách đo tại chổ hay có thể lấy theo các sách tham khảo. · Nối đất nhân tạo thường được thực hiện bằng các cọc thép tròn, thép góc, thép ống, thép dẹt ... dài 2 5m chôn sâu xuống đất sao cho đầu trên cùng của chúng cách mặt đất 0,5 0,8m. Kinh nghiệm cũng như tính toán cho thấy rằng điện trở nối đất giảm xuống khi tăng độ dài chôn sâu của vật nối đất (vì giảm ảnh hưởng của thời tiết) nhưng lúc chiều dài các cọc vượt quá 5m thì điện trở nối đất giảm xuống không rõ rệt. Đường kính hay bề dày của vật nối đất ảnh hưởng rất ít đến trị số điện trở của vật nối đất. Vì vậy các ống thép đặt trong đất phải có bề dày không được nhỏ hơn 3,5mm, các thanh thép dẹt không được nhỏ hơn 4mm và tiết diện nhỏ nhất không được bé hơn 48 để đảm bảo độ bền cơ học. Các cọc thép chôn thẳng đứng được nối với nhau bằng thanh thép nằm ngang (thường bằng thép dẹt). Dây nối đất (hay nối đất trung tính) phải có tiết diện thỏa mãn độ bền cơ khí và ổn định nhiệt, chịu được dòng điện cho phép lâu dài. Điện trở nối đất không được lớn hơn các trị số đã được quy định trong các quy phạm, thường thì điện trở nối đất phải ≤ 4Ω. Khi thực hiện bảo vệ nối đất thì tất cả các phần kim loại của các thiết bị điện, của các kết cấu kim loại (vỏ thiết bị, khung, bệ của các thiết bị phân phối điện ... ) mà có thể xuất hiện điện áp khi cách điện bị hư hỏng phải được nối một cách chắc chắn với hệ thống nối đất. Các mối nối của hệ thống nối đất tốt nhất nên thực hiện bằng cách hàn (có thể cho phép nối bằng bulông), mối thiết bị điện phải có một dây nối đất riêng, không cho phép dùng một dây nối đất chung cho nhiều thiết bị.
TÍNH TỐN NỐI ĐẤT VÀ CHỐNG SÉT PHẦN LÝ THUYẾT Đặt vấn đề: Sét hay tia sét tượng phóng điện khí đám mây đất hay đám mây mang điện tích khác dấu đơi cịn xuất trận phun trào núi lửa hay bão bụi Sét đánh phá hủy nhà cửa, cơng trình dịng điện có điện áp lớn truyền qua vật có khả dẫn điện như: ống nước, ăng ten, thiết bị điện, dây dẫn điện,… Bởi tia có điện áp lớn sinh nhiệt lớn làm chảy, cháy, nổ vật dẫn đến làm hư hỏng gây hỏa hoạn Các tịa nhà cao dễ thu hút sét đánh có tượng mưa giơng xảy Việc lắp đặt hệ thống chống sét cho tòa nhà quan trọng với chiều cao này, tỉ lệ sét đánh trúng lớn Hơn việc sửa chữa, bảo dưỡng hay tu bổ hệ thống chống sét gặp nhiều khó khăn Việc lắp đặt hệ thống nối đất chống sét dẫn truyền dịng sét xuống đất cách nhanh chóng, an tồn thông qua đường trở kháng thấp giúp bảo vệ cơng trình, tránh thiệt hại sét gây Hệ thống nối đất chống sét giúp tiêu tán lượng điện áp xuống đất, làm cân điện đảm bảo an toàn cho người, thiết bị, hệ thống điện, viễn thông,… Thông thường, cần đánh giá tiêu chuẩn hệ thống nối đất chống sét phải kể đến như: điện trở tiếp đất, quy mơ nối đất, vật liệu tiếp địa,… Từ đó, hệ thống nối đất chống sét đạt tiêu chuẩn phát huy tối ưu hiệu sử dụng cho cơng trình Phương án thực hiện: Lắp đặt hệ thống kim thu sét đại điều cần thiết quan trọng Trong đó, kim thu sét phát tia tiên đạo khuyến khích sử dụng Đó hiệu bảo vệ an toàn khu vực lắp đặt thiết bị Ngồi ra, việc thi cơng cọc tiếp địa cần trọng Bởi thành phần giúp tiêu hao lượng sét nhanh chóng Hệ thống chống sét gồm có: Kim thu sét, Dây thoát sét, Hệ thống tiếp địa (cọc tiếp địa, cáp đồng thoát sét, phụ kiện chống sét) Trong phần này, ta tìm hiểu phận hệ thống chống sét sau: · Kim thu sét: Phần lớn sử dụng kim thu sét cổ điển, có cấu tạo từ sắt vót nhọn đầu Hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng phổ biến với chi phí rẻ, hiệu tốt sét đánh xuống trực diện Phương pháp ứng dụng nhiều nhà dân dụng, khu nhà thấp tầng Kim thu sét tia tiên đạo sử dụng công nghệ Chúng chủ động tạo tia tiên đạo định hướng thu sét vị trí Phương pháp thu sét hiệu bảo vệ gần tuyệt đối Được ứng dụng nhiều tòa nhà cao tầng, chung cư để bảo vệ cơng trình hiệu Loại kim thu sét sử dụng khu dân sinh chúng có giá thành cao · Cọc tiếp địa: Hệ thống tiếp đất gồm cọc tiếp địa liên kết với Cọc tiếp địa hệ thống nối đất phận thiếu hệ thống chống sét Mỗi cọc dài 2.4m chôn sâu đất vị trí cách móng nhà – 2m Đồng thời độ sâu rãnh 0.8m Trong trình lắp đặt cọc tiếp địa, cần ý đến điện trở đất nơi công Nếu cần thiết phải dùng hóa chất giảm điện trở để đưa mức điện trở ngưỡng an toàn Trước tính tốn nối đất, ta cần phân biệt nối đất tự nhiên nối đất nhân tạo: · Nối đất tự nhiên sử dụng ống dẫn nước, cọc sắt, sàn sắt có sẵn đất Hay sử dụng kết cấu nhà cửa, cơng trình có nối đất, vỏ cáp đất làm điện cực nối đất Khi xây dựng vật nối đất cần phải sử dụng, tận dụng vật nối đất tự nhiên có sẵn Điện trở nối đất vật nối đất tự nhiên xác định cách đo chổ hay lấy theo sách tham khảo · Nối đất nhân tạo thường thực cọc thép trịn, thép góc, thép ống, thép dẹt dài -5m chôn sâu xuống đất cho đầu chúng cách mặt đất 0,5 - 0,8m Kinh nghiệm tính toán cho thấy điện trở nối đất giảm xuống tăng độ dài chôn sâu vật nối đất (vì giảm ảnh hưởng thời tiết) lúc chiều dài cọc vượt 5m điện trở nối đất giảm xuống khơng rõ rệt Đường kính hay bề dày vật nối đất ảnh hưởng đến trị số điện trở vật nối đất Vì ống thép đặt đất phải có bề dày không nhỏ 3,5mm, thép dẹt không nhỏ 4mm tiết diện nhỏ không bé 48 để đảm bảo độ bền học Các cọc thép chôn thẳng đứng nối với thép nằm ngang (thường thép dẹt) Dây nối đất (hay nối đất trung tính) phải có tiết diện thỏa mãn độ bền khí ổn định nhiệt, chịu dòng điện cho phép lâu dài Điện trở nối đất không lớn trị số quy định quy phạm, thường điện trở nối đất phải ≤ 4Ω Khi thực bảo vệ nối đất tất phần kim loại thiết bị điện, kết cấu kim loại (vỏ thiết bị, khung, bệ thiết bị phân phối điện ) mà xuất điện áp cách điện bị hư hỏng phải nối cách chắn với hệ thống nối đất Các mối nối hệ thống nối đất tốt nên thực cách hàn (có thể cho phép nối bulông), mối thiết bị điện phải có dây nối đất riêng, khơng cho phép dùng dây nối đất chung cho nhiều thiết bị PHẦN TÍNH TỐN Thiết kế hệ thống chống sét cho tòa nhà: 1.1 Giới thiệu thiết bị thu sét tia tiên đạo sáng chế Heslita-CNRS: Để chọn thiết bị thu sét ta cần tính tốn số tiêu chuẩn sau: Ta có cơng thức tiêu chuẩn R p =√ h ( D−h )+ ∆ L.(2 D+ ∆ L) Trong đó: - R p: Bán kính bảo vệ nằm ngang tính từ chân đặt đầu kim Pulsar (Cơng thức áp dụng với h > 5m) - h: Chiều cao kim Pulsar tính từ đầu kim đến bề mặt bảo vệ - D: Bán kính đánh sét Bán kính bảo vệ kim thu sét phát tia tiên đạo Pulsar phụ thuộc vào độ cao (h) đầu kim so với mặt phẳng cần bảo vệ Theo tiêu chuẩn chống sét NF C 17-102: · D = 20m cho mức độ bảo vệ cấp I · D = 30m cho mức độ bảo vệ cấp II · D = 45m cho mức độ bảo vệ cấp III · D = 60m cho mức độ bảo vệ cấp IV - yL: Độ dài tia tiên đạo Pulsar phát đo mét (m), tính theo cơng thức: ∆ L=V ∆ T · yT: Thời gian phát tia tiên đạo Pulsar (ms) · V: Vận tốc lan tuyền tia tiên đạo khí tính mét micro giây (m/ms) Giá trị V tính tốn, đo đạt theo thực nghiệm nêu tiêu chuẩn NF C 17-102, V = 106 m/ms Từ cơng thức trên, có bảng tra bán kính bảo vệ kim thu sét Pulsar trích từ Catalogue hãng: Hình 1: Bảng tra bán kính bảo vệ kim chống sét Pulsar 1.2 Nguyên lý làm việc đầu kim thu sét Pulsar: Ta chọn đầu kim thu sét Pulsar 18 để bảo vệ chống sét cho tồ nhà, đầu kim có cấu tạo sau: Hình 2: Cấu tạo kim sét Pulsar 18 · Kẹp nối dây để đưa dây dẫn sét xuồng đất · Bầu hình trụ chứa thiết bị phát tia tiên đạo tạo đường dẫn sét chủ động · Đầu kim dài 75cm, đường kính dài 18mm · Đĩa kim loại với nhiều đường kính độ dầy khác tuỳ thuộc vào kiểu kim thu sét Pulsar · Đường kính phía ngồi ống kim thu sét 300mm 1.3 Tổng quan thống chống sét cho nhà: Phương pháp chống sét cho tòa nhà cao tầng sử dụng thiết bị thu sét tia tiên đạo sáng chế Helista - CNRS Phương pháp ứng dụng công nghệ tiên tiến phát xung điện cao phía liên tục chủ động dẫn sét, nghĩa tạo tia tiên đạo phóng lên để thu hút bắt giữ từ xa tia tiên đạo phóng xuống từ đám mây dơng đồng thời dùng cáp đồng (25mm×3mm) để sét Các cọc thép đóng đất có nhiệm vụ tiêu sét Điện trở nối đất chống sét yêu cầu cần phải ≤10 theo tiêu chuẩn TCVN 4756:1989 Quy phạm nối đất nối không thiết bị điện Bộ Xây Dựng Sau lắp đặt xong, kiểm tra đạt phạm vi cho phép nhỏ 10 tiến hành đóng cọc tiếp Tra Bảng trên, ta có bán kính bảo vệ R p 55m Thiết kế hệ thống nối đất an toàn nối đất chống sét cho tòa nhà: 2.1 Thiết kế hệ thống nối đất an toàn: Theo quy định TCVN 4756:1989 Quy phạm nối đất nối không thiết bị điện, giá trị điện trở nối đất hệ thống chống sét cần nhỏ giá trị yêu cầu RYC ¿ Đất khu vực tòa nhà thuộc loại đất đen, ta tiến hành tra bảng phụ lục B.11.3 trang 306 tài liệu Thiết kế cấp điện, thu điện trở suất đất ρđất =2.10 (/cm) Hình 3: Bảng tra điện trở suất đất Do giá trị điện trở suất thay đổi theo mùa, sử dụng công thức xác định điện trở nối đất, cần nhân giá trị điện trở suất đất với hệ số thay đổi điện trở suất k (còn gọi hệ số mùa) Ta chọn hệ số mùa theo bảng hệ số hiệu chỉnh điện trở suất đất k bảng phụ lục B.11.4 tài liệu Thiết kế cấp điện: k cọc =1,4 k thanh=1,6 Hình 4: Bảng tra hệ số điều chỉnh điện trở suất đất Ta tiến hành dùng 30 cọc thép góc L có kích thước (63×63×6)mm dài 2,5m đóng thẳng chìm sâu xuống đất cách mặt đất 0,7m Tính điện trở tản cọc: R1 C =0,00298 ρđất k cọc =0.0298 2.10 1,4=83,44 (Ω) Các cọc chơn thành mạch vịng cách m, chiều dài cọc 2,5m nên hệ số sử dụng cọc tỉ số a/l = (a: khoảng cách cọc, l: chiều dài cọc) Tra bảng 3.8 trang 42 tài liệu An tồn điện, có hệ số sử dụng cọc chôn thẳng đứng ηc =0,6 hệ số sử dụng thanh/dây nối cọc ηth=¿ 0,3 Hình 5: Bảng tra hệ số sử dụng cọc chôn thẳng đứng thanh/dây nối cọc Từ ta tính điện trở tản của 30 cọc: RC = R 1C 83,44 = =4,635(Ω) n ηc 30.0,6 Chọn thép dẹt có kích thước (40x4) mm, chôn sâu 0,8 m nối thành vòng qua 30 cọc Như vậy, tổng chiều dài nối nằm ngang L là: l=5 30=150 (m) = 15000 (cm) Xét đại lượng: b: Bề rộng nối - cm (thường lấy b = cm) t: Chiều sâu chôn nối - cm (thường lấy t = 0,8 m = 80 cm) Từ ta tính điện trở tản nối: Rth= 0.366 l 0.366 2.15000 ρđất k log = 2.10 1,6 log ≈ 16(Ω) l ηth b t 15000 0,3 80 Qua đó, ta tính điện trở nối đất hệ thống: R HT = RC R th 4,635.16 = =3,6 (Ω) RC + Rth 4,635+16 Như vậy, ta có: R HT =3,6 Ω< R YC=4 Ω Kết hợp với nối đất tự nhiên R HT nhỏ giá trị 3,6 Ω Do đó, hệ thống nối đất thỏa mãn điều kiện an toàn theo quy định TCVN 4756:1989 2.2 Thiết kế hệ thống nối đất chống sét: Như trình bày phần trên, điện trở nối đất hệ thống phải nhỏ điện trở yêu cầu 10 Ω ( R¿¿ YC) ¿ Đất khu vực tòa nhà thuộc loại đất đen, ta tiến hành tra bảng phụ lục B.11.3 trang 306 tài liệu Thiết kế cấp điện, thu điện trở suất đất ρđất =2.10 (/cm) Do giá trị điện trở suất thay đổi theo mùa, sử dụng cơng thức xác định điện trở nối đất, cần nhân giá trị điện trở suất đất với hệ số thay đổi điện trở suất k (còn gọi hệ số mùa) Ta chọn hệ số mùa theo bảng hệ số hiệu chỉnh điện trở suất đất k bảng phụ lục B.11.4 tài liệu Thiết kế cấp điện: k cọc =1,4 k thanh=1,6 Ta tiến hành dùng 15 cọc thép góc L có kích thước (63×63×6)mm dài 2,5m đóng thẳng chìm sâu xuống đất cách mặt đất 0,7m Tính điện trở tản cọc: R1 C =0,00298 ρđất k cọc =0,0298 2.10 1,4=83,44 (Ω) Các cọc chơn thành mạch vịng cách m, chiều dài cọc 2,5m nên hệ số sử dụng cọc tỉ số a/l = (a: khoảng cách cọc, l: chiều dài cọc) Tra bảng 3.8 trang 42 tài liệu An tồn điện, có hệ số sử dụng cọc chôn thẳng đứng ηc =0,69 hệ số sử dụng thanh/dây nối cọc ηth=¿ 0,4 Từ ta tính điện trở tản của 15 cọc: RC = R 1C 83,44 = =8,06 (Ω) n ηc 15 0,69 Chọn thép dẹt có kích thước (40x4) mm, chơn sâu 0,8 m nối thành vòng qua 15 cọc Như vậy, tổng chiều dài nối nằm ngang L là: l =5 15=75 (m) = 7500 (cm) Xét đại lượng: b: Bề rộng nối - cm (thường lấy b = 4cm) t: Chiều sâu chôn nối - cm (thường lấy t = 0,8 m = 80 cm) Từ ta tính điện trở tản nối: 0.366 l 0.366 75002 Rth = ρ k log = 10 1,6 log ≈ 21.65(Ω) l ηth đất b t 7500 0,4 80 Qua đó, ta tính điện trở nối chống sét đất hệ thống: R HT = RC R th 8,06 21,65 = =5,873(Ω) RC + Rth 8,06+21,65 Như vậy, ta có: R HT =5,873 Ω< R YC=10 Ω Kết hợp với nối đất tự nhiên R HT nhỏ giá trị 5,873 Ω Do đó, hệ thống nối đất chống sét thỏa mãn điều kiện an toàn theo quy định TCVN 4756:1989 TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Thiết kế cấp điện, Vũ Văn Tẩm – Ngô Hồng Quang (2001), Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [2] Giáo trình An tồn điện – PGS.TS Quyền Huy Ánh (2011), Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [3] Catalogue Thiết bị chống sét trực tiếp – Tia thu sét phát tia tiên đạo sớm Helista Pulsar [4] Hệ thống cung cấp điện xí nghiệp cơng nghiệp thị nhà cao tầng – Nguyễn Công Hiển (2001), Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [5] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4756:1989 quy phạm nối đất nối không thiết bị điện, Bộ Xây Dựng ... thống nối đất an toàn nối đất chống sét cho tòa nhà: 2.1 Thiết kế hệ thống nối đất an toàn: Theo quy định TCVN 4756:1989 Quy phạm nối đất nối không thiết bị điện, giá trị điện trở nối đất hệ... điện cực nối đất Khi xây dựng vật nối đất cần phải sử dụng, tận dụng vật nối đất tự nhiên có sẵn Điện trở nối đất vật nối đất tự nhiên xác định cách đo chổ hay lấy theo sách tham khảo · Nối đất nhân... tốn nối đất, ta cần phân biệt nối đất tự nhiên nối đất nhân tạo: · Nối đất tự nhiên sử dụng ống dẫn nước, cọc sắt, sàn sắt có sẵn đất Hay sử dụng kết cấu nhà cửa, cơng trình có nối đất, vỏ cáp đất