Trong công cuộc đổi mới, xây dựng và phát triển của đất nước ta, ngày càng có nhiều công trình xây dựng, nhà máy mọc lên nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho nhân dân. Bên cạnh sự ưu đãi của thiên nhiên cho con người cũng kèm theo sự khắc nghiệt của nó. Trong đó sét là một hiện tượng tự nhiên có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người và tài sản. Vì vậy, ngoài việc xây dựng các công trình chúng ta cần phải có biện pháp bảo vệ tránh được thiệt hại do sét gây ra. Năm 1752 nhà bác học người Mỹ là Benjamin Franklin đã khám phá ra nguyên tắc cơ bản trong việc phòng chống sét trực tiếp là dùng cột nhọn (kim Franklin) để thu sét và dẫn sét xuống đất, bảo vệ các công trình xây dựng. Tuy nhiên, kim Franklin cũng có nhượt điểm là phạm vi bảo vệ hẹp , làm việc không tin cậy và không hiệu quả. Ngày nay, với sự phát triển của KHKT, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo được các thiết bị thu sét hiệu quả hơn. Trong tập kuận án này xin trình bày các lý luận cơ bản về sét và các phương pháp phòng chống sét trực tiếp sử dụng công nghệ mới bao gồm nội dung là: Tổng quan về sét và các phương pháp phòng chống sét trực tiếp. Giới thiệu hệ thống chống sét System 3000 (của hãng GLT – Uùc) và các phần mềm liên quan. Thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM.
Đồ Aùn Tốt Nghiệp LỜI MỞ ĐẦU Trong công đổi mới, xây dựng phát triển đất nước ta, ngày có nhiều cơng trình xây dựng, nhà máy mọc lên nâng cao đời sống vật chất tinh thần cho nhân dân Bên cạnh ưu đãi thiên nhiên cho người kèm theo khắc nghiệt Trong sét tượng tự nhiên gây nguy hiểm đến tính mạng người tài sản Vì vậy, ngồi việc xây dựng cơng trình cần phải có biện pháp bảo vệ tránh thiệt hại sét gây Năm 1752 nhà bác học người Mỹ Benjamin Franklin khám phá nguyên tắc việc phòng chống sét trực tiếp dùng cột nhọn (kim Franklin) để thu sét dẫn sét xuống đất, bảo vệ cơng trình xây dựng Tuy nhiên, kim Franklin có nhượt điểm phạm vi bảo vệ hẹp , làm việc không tin cậy không hiệu Ngày nay, với phát triển KHKT, nhà khoa học nghiên cứu chế tạo thiết bị thu sét hiệu Trong tập kuận án xin trình bày lý luận sét phương pháp phòng chống sét trực tiếp sử dụng công nghệ bao gồm nội dung là: Tổng quan sét phương pháp phòng chống sét trực tiếp - Giới thiệu hệ thống chống sét System 3000 (của hãng GLT – Uùc) phần mềm liên quan Thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Sinh viên thực CAO MINH TRIẾT CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ SÉT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT A TỔNG QUAN: Nước Việt Nam ta thuộc vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm thuận lợi cho việc hình thành mây dơng sét Ngày nay, kinh tế đất nước phát triển tình hình xây dựng phát triển rầm rộ, nhiều tồ cao ốc, khu cơng nghiệp đời, việc phòng chống sét vấn đề cần quan tâm Để thiết kế hệ thống chống sét cho cơng trình cần phải có hiểu biết điện khí quyển, tượng phóng điện khí (cũng tượng phóng điện đám mây với mặt đất) 1/ Quá trình phóng điện sét: 1.1/ Sự hình thành mây dông sét: Dông tượng xãy chủ yếu vào mùa hạ liên quan đến phát triển mạnh mẽ đối lưu nhiệt nhiễu động khí Dơng đặt trưng xuất đám mây dơng hay mây tích vũ (Cumulonimbus) có độ dầy từ 10 ÷ 16 Km, tích tụ lượng nước tạo điện cực mạnh Trong thực tế hình thành dơng gắn liền với xuất luồng khơng khí khổng lồ từ mât đất bốc lên Các luồng không khí hình thành đốt nóng ánh sáng mặt trời, đặc biệt vùng cao (dông nhiệt) gặp luồng khơng khí nóng ẩm với khơng khí lạnh (dơng Front) Sau đạt độ cao định (khoảng vài Đồ Aùn Tốt Nghiệp ki-lô- met trở lên – vùng nhiệt độ âm), luồng khơng khí ẩm bị lạnh – nước ngưng tụ thành giọt nhỏ li ti hay tinh thể băng tạo thành đám mây dông Đã từ lâu người ta khẳng định nguồn tạo điện trường đám mây dơng mặt đất điện tích tích tụ hạt nước li ti tinh thể băng dám mây dông Qua nhiều lần đo đạt thực nghiệm, người ta thấy khoảng 80 ÷ 90% phần đám mây dơng chủ yếu chứa điện tích âm, từ cảm ứng mặt đất điện tích dương tương ứng tạo nên tụ điện khơng khí khổng lồ Hình 1.1: Sự phân bố điện tích đám mây mặt đất Hình (hình 1.1) cho ta thấy phân bố điện tích đám mây mặt đất Khi phần đám mây mang điện tích âm bị hút phía mây mang điện tích dương mặt đất, vật mặt đất cao khoảng cách vật đám mây nhỏ lớp khơng khí ngăn cách vật mây nhỏ lớp ngăn cách điện tích trái dấu mỏng Ơû nơi sét dễ đánh xuống mặt đất Khi đến gần nhà cao, cao mây dơng mang điện tích âmhút điện tích dương làm cho chúng tập trung lại điểm cao nhất: mái nhà, cây,…(còn gọi hiệu ứng mũi nhọn) Nếu điện tích mây lớn mái nhà, cây,… tập trung điện tích lớn Đến mức độ độ lớn điện tích trái dấu nói tạo nên chênh lệch điện để đánh thủng lớp khơng khí ngăn cách với mặt đất (cường độ điện trường mặt đất lúc khoảng 25 ÷ 30kV/cm), lúc xãy tượng phóng điện đám mây dơng mặt đất Hình 2.1 : Sự phát sinh sét đám mây dơng Sét thực chất dạng phóng tia lửa điện khơng khí với khoảng phóng đện lớn Chiều dài trung bình kênh sét khoảng từ ÷ Km Phần lớn chiều dài phát triển đám mây dơng Q trình phóng điện sét tương tự q trình phóng điện tia lửa điện trường không đồng với khoảng cách phóng điện lớn 1.2/ Các giai đoạn phóng điện sét: Ban đầu xuất phát từ mây dông dãi sáng mờ kéo dài đợt gián đoạn phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105 ÷ 106 m/s , giai đoạn phóng điện tiên đạo theo đợt Kênh tiên đạo dòng Plasma mật độ điện tích khơng cao lắm, khoảng 10 13÷ 1014 ion/m3 Một phần điện tích âm mây dông tràn vào kênh vàphân bố tương đối dọc theo chiều dài (Hình 1.3a) Thời gian phát triển kênh tiên đạo đợt kéo dài khoảng 1s (mỗi đợt kênh tiên đạo kéo dài thêm trung bình vài chục mét) Thời gian tạm ngưng phát triển hai đợt liên tiếp khoảng từ 30 ÷ 90 m Đồ Aùn Tốt Nghiệp a b c d Hình 3.1: Các giai đoạn phóng điện sét biến thiên dòng điện sét theo thời gian Giai đoạn phóng điện tiên đạo Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hố mãnh liệt Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu Phóng điện chủ yếu kết thúc Điện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng: Q = σ.L Với: σ mật độ điện tích L chiều dài kênh Điện tích thường chiếm khoảng 10% lượng điện tích chạy vào đất lần phóng điện sét Dưới tác dụng điện trường tạo nên điện tích mây dơng điện tích kênh tiên đạo, có tập trung điện tích trái dấu (thường điện tích dương) vùng mặt đất phía đám mây dơng Nếu vùng đât phía phẳng có điện dẫn đồng nơi điện tích cảm ứng tập trung nằm trực tiếp kênh tiên đạo Nếu vùng đất phía có điện dẫn khác điện tích tập trung chủ yếu vùng kế cận, nơi có điện dẫn cao vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sơng ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại nhà cao tầng, cột điện, cao bị ướt,… nơi nơi đổ sét Cường độ điện trường đầu kênh tiên đạo phần lớn giai đoạn phát triển (trong mây dơng) xác định điện tích thân kênh điện tích tích tụ đám mây Đường kênh tiên đạo không phụ thuộc vào tình trạng mặt đất Chỉ kênh tiên đạo cách mặt đất độ cao định hướng thấy rõ dần ảnh hưởng tập trung điện tích mặt đất vật thể dẫn điện nhô khỏi mặt đất với hướng phát triển tiếp tục kênh theo hướng có cường độ điện trường lớn Ơû nơi vật dẫn có độ cao (nhà cao tầng, cột ăng ten, đài phát thanh,…) từ đỉnh nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều đồng thời xuất ion hóa tạo nên dòng tiên đạo phát triển hướng lên đám mây dông Chiều dài kênh tiên đạo từ lên tăng theo độ cao vật dẫn tạo điều kiện dễ dàng cho định hướng sét vào vật dẫn Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiều bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược lại hay phóng điện chủ yếu (tương tự q trình phóng điện ngược chất khí điện trường khơng đồng (Hình 1.3b) Trong khoảng cách khí lại đầu kênh tiên đạo mặt đất, cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt dẫn đến hình thành dòng Plasma có mật độ điện tích từ 10 16 ÷ 1019 ion/m3 cao nhiều so với mật độ điện tích tia tiên đạo, điện dẫn tăng lên hàng trăm lần điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn vào dòng ngược thực tế đầu dòng mang điện đất làm cho cường độ trường đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt dòng Plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lên theo đường chọn sẵn kênh tiên đạo Tốc độ phát triển kênh tiên đạo phóng ngược cao vào khoảng 0,5.107 ÷ 1,5.108m/s (bằng 0,05 ÷ 0,5 lần vận tốc ánh sáng) tức nhanh gấp trăm Đồ Aùn Tốt Nghiệp lần tốc độ phát triển kênh tiên đạo hướng xuống Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói gọi chớp Đặt điểm quan trọng phóng điện chủ yếu cường độ dòng điện lớn Gọi V tốc độ phóng điện , σ mật độ điện tích dòng điện sét đạt giá trị cao (Hình 1.3c): is = σV Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây số điện tích lại mây theo kênh phóng điện chạy xuống đất tạo nên chỗ sét đánh dòng điện có trị số định giảm nhanh tương ứng với phần sóng (Hình 1.3d) Kết quan trắc sét cho thấy phóng điện sét thường xãy nhiều lần kế tục (trung bình lần, nhiều đến vài chục lần) Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (khơng theo đợt lân đầu), không phân nhánh theo quĩ đạo lần đầu với tốc độ cao (2.106m/s) Qua nghiên cứu sét, người ta lý giải phóng điện nhiều lần sét sau: đám mây dơng có nhiều trung tâm điện tích khác hình thành luồng khơng khí xốy Lần phóng điện đầu đưọc xãy đất trung tâm điện tích có cường độ điện trường cao Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo hiệu điện trung tâm điện tích với trung tâm điện tích thực tế khơng thay đổi có ảnh hưởng qua lại với Nhưng kênh phóng điện chủ yếu lên đến mây trung tâm điện tích đám mây thực tế mang điện đất làm cho hiệu điện trung tâm phóng với trung tâm điện tích lân cận tăng lên dẫn đến phóng điện với Khi kênh phóng điện cũ điện dẫn định khử ion chưa hồn tồn nên phóng điện tiên đạo lần sau theo quỹ đạo đó, liên tục với tốc độ cao lần đầu Hình 4.1: Quá trình phát triển phóng điện sét a Hình dáng quang học ; b Đồ thị dòng điện 2/ Các thơng số sét: Dòng điện sét xem sóng xung có dạng đường cong (Hình 5.1) Thường khoảng vài ba µs dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo thành phần đầu sóng, sau giảm chm t 20 ữ 100 às to nờn phn uụi sóng - Các tham số chủ yếu: + Biên độ dòng sét: giá trị lớn dòng điện sét + Thời gian đầu sóng (τđs ): thời gian mà dòng sét tăng từ đến giá trị cực đại + Độ dốc dòng điện sét: a = dis/dt + Độ dài dòng sét (τs): thời gian từ đầu dòng sét đến dòng sét giảm ½ biên độ Đồ Aùn Tốt Nghiệp Hình 5.1: Dạng sóng dòng điện sét 2.1/ Biên độ dòng sét xác suất xuất hiện: Dòng điện sét có trị số lớn vào lúc kênh phóng điện chủ yếu đến trung tâm điện tích đám mây dơng Xác suất xuất dòng điện sét tính gần theo công thức: + Cho vùng đồng bằng: VI = e-is/60 = 10-is/60, hay lgVI = -is/60 (đường cong1) + Cho vùng núi cao: VI = 10-is/30 , hay lgVI = -is/30 (đường cong 2) (VI xác suất xuất dòng điện sét, có biên độ lớn is) Chẳng hạn, xác suất phóng điện sét có biên độ dòng sét is ≥ 60KA : lgVI = -60/60 = -1 ⇒ VI = 0,1 = 10% Có nghĩa tổng số lần sét đánh có 10% số lần sét có biên độ dòng điện sét từ 60KA trở lên 2.2/ Độ dốc đầu sóng dòng điện sét xác suất xuất hiện: Để đo độ dốc dòng điện sét người ta dùng khung dây dẫn nối vào hoa điện kế Khi sét đánh vào cột thu sét với độ dốc a khung cảm ứng lên sức điện động Mdis/dt (M hệ số hổ cảm dây dẫn dòng điện sét cột thu sét với khung) Điện áp đầu khung: U = M(dis/dt)max Độ dốc lớn dòng điện sét chạy qua cột: a = (dis/dt)max, (KA/µs) * Xác suất xuất độ dốc tính theo: + Cho vùng đồng bằng: Va = e-a/15,7 = 10-a/36 + Cho vùng núi cao: Va = 10-a/18 2.3/ Cường độ hoạt động sét: Cường độ hoạt động dông sét xác định số ngày dông năm xem trị số trung bình qua nhiều năm quan sát đo đạt địa phương khác Số lần sét đánh thay đổi ngày Theo tài liệu “Hướng dẫn thiết kế bảo vệ chống sét cho nhà cơng trình – CH 305 – 69” Liên Xô củ ,số lần sét đánh năm vào cơng trình (khi chưa có hệ thống bảo vệ chống sét) xác định theo công thức sau: (S + 3hx)(L + 3hx)n N= 106 đó: S – chiều rộng nhà(cơng trình) , m L – chiều dài nhà(cơng trình), m hx – chiều cao tính tốn nhà(cơng trình), m n – số lần sét đánh trung bình 1Km năm xãy địa phương xây dựng nhà(cơng trình) * Số lần sét đánh trung bình 1Km2 năm: Bảng 1.1: Số dông năm Số lần sét đánh Trung bình Đồ Aùn Tốt Nghiệp 20 – 40 40 – 60 60 – 80 80 – 100 > - 100 2,5 3,8 6,3 7,5 * Số ngày dơng trung bình năm số địa phương Việt Nam (theo số liệu tổng cục khí tượng thủy văn thống kê): Bảng 2.1 : TT Địa phương 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Bà rịa - Vũng tàu Bắc thái - Thái nguyên Bình định - Qui nhơn Bình thuận - Phan thiết Cao Đắc lắc Đồng tháp - Cao lãnh Gia lai - Pleiku Hà bắc - Bắc giang Hà giang Hà nội - Láng Hà tây (Sơn tây) Hà tĩnh Hải hưng - Hải dương Hưng yên T.P Hồ Chí Minh Khánh hòa - Nha trang Kiên giang - Rạch giá Phú quốc Lai châu Lạng sơn Lào cai Lâm đồng - Đà lạt Minh hải - Cà mau Nam hà - Nam định Ngày dông/năm 77,8 96,9 52,1 80,7 93,7 112,2 129,9 96,8 101,3 103,1 93,6 87,2 92,8 72,3 78,6 78,6 45,0 110,4 99,4 97,0 89,5 77,6 89,8 118,9 72,2 T T 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Địa phương Nghệ an - Vinh Phú n - Tuy hòa Quảng bình - Đồng hới Quảng nam - Đà nẵng Quảng ngãi Quảng ninh - Hòn gai Quảng trị - Đơng hà Sơng bé - Phước long Sơn la Tây ninh Thái bình Thanh hóa Thừa thiên - Huế Tiền giang - Mỹ tho Trà vinh - Càng long Tuyên quang Yên bái Côn đảo Trường sa Phú liễn Mống Tam đảo Phú thọ Điện biên Sapa Ngày dông/năm 88,4 37,6 71,7 76,0 75,2 87,1 72,4 104,1 105,5 126,3 53,8 99,0 93,9 123,8 118,1 88,2 83,6 57,3 52,3 104,1 111,9 95,8 111,3 110,3 90,8 3/ Tác hại dòng điện sét: - Khi cơng trình bị sét đánh trực tiếp dòng sét gây tác hại , nhiệt điện từ - Nếu cơng trình nối liền với vật dẫn điện kéo dài : đường dây điện, dây điện thoại, đường rây, ống nước gas kim loại, vật dẫn mang điện cao từ xa đến chúng bị sét đánh, gây nguy hiểm cho người thiết bị nối với - Cần ý điện áp cảm ứng vật dẫn (cảm ứng tĩnh điện, dây dẫn điện tạo thành mạch vòng cảm ứng điện từ) Khi có phóng điện sét gần điện áp lên đến hàng chục kV nguy hiểm Như vậy, sét gây nguy hiểm trực tiếp gián tiếp cần phải có phương pháp phòng chống sét trực tiếp gián tiếp hữu hiệu, giảm thiểu rủi ro sét gây B CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT TRỰC TIẾP : 1/ Khái niệm chung: Để chống sét đánh trực tiếp thường dùng hệ thống thu sét cột thu lôi, tòa nhà cơng nghiệp, trạm, kiến trúc cao tầng, phận thu sét dùng kim, dây, đai lưới thu sét Yêu cầu việc chống sét tồn cơng trình bảo vệ cần phải nằm vùng bảo vệ hệ thống thu sét, hệ thống nằm kết cấu cơng trình hay đặt cách ly tùy thuộc vào hoàn cảnh điều kiện cụ thể Song song với việc chọn lựa hệ thống thu sét lưu ý đến vấn đề nối đất chống sét, nối đất bảo vệ nối đất chống sét cảm ứng Phương án chống sét Đồ Aùn Tốt Nghiệp chọn phải có hiệu qủa chống sét cao, chi phí đầu tư xây dựng yếu tố mỹ quan cần xem xét Hệ thống chống sét gồm có điện cực (kim thu sét) nối với dây dẫn xuống, dây dẫn xuống lại nối với lưới tiếp đất Vai trò điện cực trở thành điểm mục tiêu sét chọn đánh Mạng dây dẫn xuống truyền lượng sét xuống đất, lưới tiếp đất có nhiệm vụ tản lượng sét vào đất 2/ Chống sét theo phương pháp cổ điển: 2.1 Kim thu sét Franklin: - Vào năm 1752 nhà khoa học người Mỹ Benjamin Franklin phát nguyên tắc chống sét Các điện cực Franklin có độ cao thay đổi từ 2m đến 3m cao Các Franklin đặt nhiều điểm nhà đỉnh cột cao Cột thu sét có nhiều kiểu khác nhau, cấu tạo bao gồm phận sau: + Kim thu sét (1) + Cột gắn kim thu sét (2) + Dây dẫn truyền lượng sét xuống đất (3) + Bộ phận nối đất (4) Hình 6.1: Cột thu sét Kim thu làm thép cán với nhiều loại tiết diện khác nhau, đỉnh kim không nhỏ 100mm2 Nếu thép dẹp bề dày không nhỏ 3,5mm Nếu thép ống bề dày thành ống không nhỏ 3mm Chiều dài hiệu dụng kim khơng nhỏ 200mm Kim thu mạ kẽm, thiếc, sơn dẫn điện Nếu cột làm kim loại dùng thân cột để làm dây dẫn sét, cột làm bê tơng lõi thép dùng thép cột làm dây dẫn sét, nhà, cơng trình có cấu kiện thép bê tơng cốt thép dùng phần kim loại cấu kiện để làm dây dẫn sét.Trong trường hợp trên, phần kim loại dùng vào việc truyền dẫn dòng điện sét phải có tiết diện từ 100mm trở lên (với thép) phải bảo đảm liên tục mặt dẫn điện 2.2 Đai lưới thu sét: Đai lưới thu sét dùng để chống sét đánh thẳng làm thép dẹp hay tròn với tiết diện khơng nhỏ 35mm Đai lưới cho phép đặt bên lớp chống thấm hay lớp cách nhiệt Cũng đặt kết hợp kim ngắn lên lưới thu sét, khoảng cách trung bình kim lưới từ ÷ 12m (viền theo chu vi mái), kim dùng thép tròn 12 ÷16mm có chiều cao khoảng 0,5m Hình 7.1: Lưới thu sét Đồ Aùn Tốt Nghiệp 2.3 Dây thu sét: Dây thu sét dùng để bảo vệ cho cơng trình có dạng hẹp kéo dài cụ thể đường dây dẫn điện không, có chiều dài đáng kể Dây thu sét kết hợp với cột thu sét để bảo vệ cho trạm phân phối điện Dây thu sét phải làm thép, tiết diện dây không nhỏ 50mm không lớn 75mm2 (theo TCN - 46 - 71) Hình 8.1: Dây thu sét 2.4 Cách xác định vùng bảo vệ: + Phương pháp cầu lăn: Giữa điện tích cường độ điện trường mũi tiên đạo sét điện tích biên độ dòng sét có mối quan hệ Từ mối quan hệ phương pháp đưa vào cuối thập niên 70 nhằm xác định điểm sét đánh dựa sở độ dài khoảng cách phóng điện, gọi phương pháp “Quả cầu lăn” phương pháp đưa vào tiêu chuẩn Uùc AS 1768 1991 Người ta giả thiết mũi tiên đạo sét điểm (tâm) cầu có bán kính độ dài khoảng cách phóng điện, có điểm bề mặt cầu chạm với mặt đất phận bề mặt đất, điểm chạm điểm sét đánh, có vùng bề mặt cầu chạm đến, điều minh họa hình 9.1 Quả cầu có bán kính khoảng 45m mức bảo vệ tiêu chuẩn (dòng điện sét đánh 10KA nữa) Đối với cơng trình quan trọng (dễ cháy, nổ), người ta thiết kế cầu có bán kính 20m Vùng bề mặt cầu khơng chạm tới ngăn cản sét gọi vùng bảo vệ Khoảng cách phóng điện Ds (độ dài cản sét) phụ thuộc vào biên dòng sét xác định cơng thức : Ds = 6,7.I0,8 ,m Với I : biên độ dòng sét (KA) phụ thuộc vào mức bảo vệ Đồ Aùn Tốt Nghiệp Hình 9.1 : Mơ tả vùng bảo vệ theo phương pháp cầu lăn + Phương pháp hình nón: a Phạm vi bảo vệ cột thu sét Phạm vi bảo vệ cột thu sét hình nón tròn xoay có đường sinh dạng hyperbol, có tiết diện ngang hình tròn với bán kính rx xác định: h - hx rx = 1,6h p h + hx Với p = h ≤ 30m 30 p= = 5,5 h h Khi 30m < h < 100m Hình 10.1 : Phạm vi bảo vệ cột thu sét Để đơn giản thiết kế người ta thường thay đường cong bậc hai (đường sinh) hình nón tròn xoay đoạn đường gãy khúc vơí phương trình đơn giản sau: - Ở độ cao hx ≤ h : phạm vi bảo vệ xác định: hx rx = 1,5h (1 )p 0,8h - Ở độ cao hx > h thì: hx rx = 0,75h(1 )p h Hình 11.1 : Phạm vi bảo vệ cột thu sét với cách vẽ đơn giản hóa Đồ Aùn Tốt Nghiệp Thực nghiệm cho thấy nên dùng nhiều cột với độ cao không lớn để bảo vệ thay cho cột có độ cao lớn ; phạm vi bảo vệ cột thu sét có kích thước lớn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ cột đơn Hình 12.1: Phạm vi bảo vệ cột thu sét có độ cao - Khi cột thu sét đặt cách khoảng a = 7h điểm mặt đất khoảng cột khơng bị sét đánh, từ suy cột thu sét đặt cách khoảng a < 7h bảo vệ độ cao ho xác định bởi: a a ⇒ ho = - ho 7 Các phần bên giống trường hợp cột, phần bên giới hạn vòng cung qua điểm : đỉnh cột điểm có độ cao ho, (ho xem độ cao cột thu sét giả tưởng nằm cột) h - ho = ho - hx rox = 1,6ho p ho+ hx - Nếu cột thu sét có độ cao khác nhau, ví dụ: h 1< h2 phạm vi bảo vệ cột có cách nối hình cột h2 ngang cắt đường sinh cột h điểm, điểm xem đỉnh cột thu sét giả tưởng h1’ = h2 khu vực bảo vệ cột h h1’ cách a’ trình bày cột thu có độ cao 10 Đồ Aùn Tốt Nghiệp 2.1 Xác định cấp bảo vệ cho cơng trình : Do trường có q nhiều tòa nhà có diện tích độ cao khác nằm xen kẽ lẫn nên để thuận tiện cho việc tính toán cần xác định cụ thể cấp bảo vệ cho tòa nhà có diện tích độ cao lớn tòa nhà phòng học hình chữ H khu A tòa nhà Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy (kể xưởng thực tập) khu B 2.1.1 Lựa chọn cấp bảo vệ cho khn viên tòa nhà phòng học hình chữ H (tính tòa nhà Nghiên Cứu Khoa Học trạm Y tế) khu A : Ta có : H = 15m : độ cao tòa nhà cần bảo vệ W = 80m : chiều rộng tòa nhà cần bảo vệ L = 90m : chiều dài tòa nhà cần bảo vệ 2.1.1.1 Xác định tần số sét chấp nhận Nc : Ta có cơng thức : 5,5 Nc = C Trong : C1 C2 C3 C4 C5 + C1 hệ số phụ thuộc vào vị trí cơng trình : tòa nhà nằm độc lập nên cho C1 = + C2 hệ số kết cấu cơng trình : tòa nhà có kết cấu bình thường nên chọn C2 = + C3 hệ số phụ thuộc vào vật liệu chứa cơng trình : tòa nhà có giá trị cao dễ bắt lửa nên chọn C3 = + C4 hệ số phụ thuộc vào tính cơng trình : tòa nhà tập trung đơng người, khó sơ tán nên chọn C4 = + C5 hệ số phụ thuộc vào tác hại sét : tòa nhà yêu cầu hoạt động liên tục nên chọn C5 = 5,5 Suy Nc = = 0,18 2.1.1.2 Tính vùng tập trung tương đối Ac : Ac vùng tập trung tương đương cơng trình có xác suất bị sét đánh cơng trình tính theo công thức sau : Ac = LW + 6H (L + W) + 9π H2 Thế giá trị đo đạt vào công thức trên, ta : Ac = 90 x 80 + x 15 (90 + 80) + x 3,14 x (15)2 = 28855,5m2 2.1.1.3 Tính tần số sét đánh trực tiếp vào cơng trình Nd : Tần số sét đánh trực tiếp vào cơng trình năm tính cơng thức sau : Nd = Ngmax Ac C1 10-6 Trong : Ngmax = 0,04 NK1,25 = NK/10 Gọi hệ số phóng điện sét lớn năm 1km2 NK số ngày dơng trung bình năm Theo số liệu Tổng cục Khí Tượng Thủy Văn thống kê số ngày dơng trung bình năm TP Hồ Chí Minh 67,5 67,5 Suy : Ngmax = = 6,75 10 Vậy: Nd = 6,755 x 28855,5 x x 10-6 = 0,19 Ta có: Nd = 0,19 > Nc = 0,18 nên hệ thống cần phải thiết kế chống sét * Xác định hệ số E : 39 Đồ Aùn Tốt Nghiệp Ta có : E =1 - Nc Nd = 1- 0,18 0,19 ≈ 0,05 ⇒ Chọn bảo vệ cấp 2.1.2 Lựa chọn cấp bảo vệ cho khuôn viên tòa nhà khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy (kể nhà xưởng) Ta có : H = 8m : độ cao tòa nhà cần bảo vệ L = 75m : chiều dài nhà W = 55m : chiều rộng nhà 2.1.2.1 Xác định tần số sét chấp nhận (Nc): 5,5 C + C1 hệ số phụ thuộc vào vị trí cơng trình: tòa nhà nằm độc lập nên cho C1 = + C2 hệ số kết cấu cơng trình : tòa nhà có kết cấu bình thường dễ cháy nên chọn C2 = 2,5 + C3 hệ số phụ thuộc vào vật liệu chứa cơng trình : tòa nhà có giá trị cao dễ bắt lửa nên chọn C3 = + C4 hệ số phụ thuộc vào tính cơng trình : tòa nhà tập trung đơng người, khó sơ tán nên chọn C4 = + C5 hệ số phụ thuộc vào tác hại sét : tòa nhà hoạt động liên tục, có tác hại đến môi trường chọn C5 = 10 5,5 Suy : Nc = = 0,036 2,5 10 Nc = 2.1.2.2 Tính vùng tập trung tương đối Ac : Ta có cơng thức : Ac = LW + 6H (L + W) + 9π H2 Thế giá trị kích thước vào cơng thức ta : Ac = 75 x 55 + x (75 + 55) + x 3,14 x (8)2 = 12173,64m2 2.1.2.3 Tính tần số sét đánh trực tiếp (Nd) : Nd = Ngmax Ac C1 10-6 Trong : Ngmax = NK/10 Với NK số ngày dơng trung bình năm Số ngày dơng trung bình năm TP Hồ Chí Minh 67,5 67,5 Suy : Ngmax = = 6,75 10 Vậy: Nd = 6,755 x 12173,64 x x 10-6 = 0,082 Ta có: Nd = 0,082 > Nc = 0,036 cần thiết kế hệ thống chống sét cho cơng trình * Xác định hệ số E : Nc 0,036 ≈ 0,56 Ta có : E=1=1Nd 0,082 Chọn bảo vệ cấp 40 Đồ Aùn Tốt Nghiệp 2.2 Hệ thống chống sét trực tiếp : 2.2.1 Hệ thống chống sét trực tiếp cho Khu A : Gồm có tòa nhà là: tòa nhà phòng học hình chữ H tòa nhà Chính liên kết Thư Viện, khoa Kỹ Thuật Nữ Cơng, phòng Đào Tạo, phòng Hành Chính, Giảng Đường, dãy lớp học lý thuyết, xưởng thực tập Điện – Điện Tử văn phòng khoa Điện – Điện Tử 2.2.1.1 Kim thu sét : Sử dụng bầu thu sét loại INTERCEPTOR Model B cho tòa nhà Chính : bầu thu gắn ống sợi thủy tinh cách điện cao 5m, ống bắt vào đỉnh tòa nhà U – Bolt Bầu thu INTERCEPTOR cung cấp bán kính bảo vệ khoảng 70m Vị trí đặt kim đỉnh tòa nhà theo vẽ C1 Sử dụng bầu thu sét loại INTERCEPTOR Model B cho tòa nhà phòng học hình chữ H : bầu thu gắn ống sợi thủy tinh cách điện cao 5m, ống bắt vào đỉnh tòa nhà U – Bolt Bầu thu INTERCEPTOR cung cấp bán kính bảo vệ khoảng 84m Vị trí đặt kim đỉnh tòa nhà (theo vẽ phần phụ lục) 2.2.1.2 Dây thoát sét: Dây thoát sét dùng loại cáp thoát sét chuyên dùng ERICORE đảm bảo dẫn sét xuống đất an tồn, khơng gây nhiễu vơ tuyến, an tồn cho người thiết bị Dây ERICORE gắn chặt dọc theo ống nước kẹp giữ dây đặt dọc theo dây vị trí cách từ ÷ 2m Tại đoạn cần uốn cong bán kính uốn cong dây ERICORE không 0,5m Cần bảo vệ cho dây ERICORE ống dẫn (có thể dùng ống nhựa PVC) nơi dễ bị phá hỏng Ở 3m dây cuối dây phải lắp đặt ống cách điện để bảo vệ cho người đến gần phải đặt cách đường dây thông tin từ 2m trở lên Cuối dây ERICORE cần phải đặt hộp kiểm tra nối đất 2.2.1.3 Hệ thống nối đất : Hệ thống nối đất gồm cọc thép bọc đồng dài 3m 40m dây cáp đồng trần tiết diện 70mm , bố trí thành tia Để giảm điện trở đất cần sử dụng bao hóa chất GEM Cách lắp đặt hình vẽ : 2.2.2 Hệ thống chống sét trực tiếp cho khu B : Gồm tòa nhà cần bảo vệ Trung tâm Tin Học tòa nhà khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy (kể xưởng thực tập) 2.2.2.1 Kim thu sét : Sử dụng bầu thu sét loại INTERCEPTOR Model B cho tòa nhà: bầu thu gắn ống sợi thủy tinh cách điện cao 5m, ống bắt chặt vào đỉnh tòa nhà U – Bolt 41 Đồ Aùn Tốt Nghiệp Bầu thu INTERCEPTOR cung cấp bán kính bảo vệ khoảng 73m cho tòa nhà Trung tâm Tin Học 70m cho tòa nhà khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Vị trí lắp đặt kim đỉnh tòa nhà (bản vẽ phần phụ lục) 2.2.2.2 Dây thoát sét: Sử dụng loại cáp thoát chuyên dùng ERICORE cách lắp đặt tương tự khu A cho tòa nhà 2.2.2.3 Hệ thống nối đất : Hệ thống nối đất tính tốn lắp đặt tương tự khu A D Thiết kế hệ thống nối đất : Nối đất hệ thống chống sét : Trong hệ thống chống sét có hệ số nối đất Hệ số có nhiệm vụ tàn dòng sét vào đất, có vai trò quan trọng việc đánh giá hiệu thoát sét hệ thống chống sét 1.1 Hệ thống nối đất : Hệ thống nối đất phải đảm bảo yêu cầu sau : + Tản nhanh cách an toàn lượng sét đánh trực tiếp vào đất + Tản nhanh an toàn xung áp xung đột biến sét lan truyền vào đất + Bảo vệ an toàn cho người thiết bị khỏi nguy hiểm điện áp bước + Duy trì chức hành hệ thống điện 1.2 Điện trở nối đất: Thiết kế hệ thống nối đất phải đảm bảo sét tản vào đất theo đường cực tiểu hóa điện áp tiếp xúc điện bước Một loạt nghiên cứu dạng sóng sét điển hình xung sét mang thành phần tần số cao tần số thấp Tần số liên quan đến độ gia tăng nhanh độ dốc đầu sóng (thường nhỏ 10µS để đạt đến đỉnh dòng) xung sét tần số thấp liên quan đến phần đưôi dài lượng cao Như vậy, điều quan trọng hệ thống nối đất phải có tổng trở nối đất đủ nhỏ khơng hiểu đơn giản điện trở nối đất nhỏ Tổng trở nối đất hệ thống bao gồm điện trở dung kháng lưỡng cực tiếp giáp điện cực đất Điện trở R hệ thống nối đất bao gồm điện trở thân điện cực nối đất, phận kết nối điện trở tiếp xúc đất điện cực nối đất điện trở khối đất bao quanh điện cực Dung kháng hệ thống nối đất tỷ lệ với diện tích tiếp xúc điện cực đất Các yếu tố ảnh hưởng tới điện trở tổng hệ thống nối đất bao gồm loại đất, độ ẩm đất, kết cấu cấu trúc hệ thống nối đất, ….Thông số đặc trưng cho loại đất điện trở suất đất, điện trở suất đất thay đổi phạm vi rộng từ 40Ωm (đất sét) đến 25.000Ωm (đá Granite) điện trở suất đất giảm độ ẩm đất tăng Do để đạt giá trị điện trở nối đất cần phải giữ độ ẩm đất nơi đặt hệ thống nối đất Điều thường đưọc ý cách chôn hệ thống nối đất độ sâu khoảng 0,5 ÷ 0,8m Điện trở suất đất thay đổi theo mùa, độ chơn sâu độ dao động giá trị điện trở nối đất nhỏ 1.3.Yêu cầu hệ thống nối đất chống sét: Một hệ thống nối đất chống sét tốt phải thỏa mãn yêu cầu sau : Giá trị tổng trở nối đất dù nhỏ (theo TCVN 20 TCN 46-84, TC Pháp NFC 17102/1995, TC Úc- Tân Tây Lan NZS/AS 1768-1991 … Rnđ < 10Ω Giảm tối thiểu gia tăng điện không gây nguy hiểm cho người thiết bị Đảm bảo kết nối tốt thành phần đẫn điện hệ thống nối đất Bền vững, không bị hư hỏng tác động tác nhân hóa học hay bị ăn mòn Khơng lắp đặt lân cận cáp ngầm truyền tải truyền tín hiệu 42 Đồ Aùn Tốt Nghiệp 1.4- Phân tích hệ thống nối đất đại : Hiện nay, số hệ thống nối đất thiết kế lắp đặt theo công nghệ mới, đa phần sử dụng ống sắt tráng kẽm hay sắt góc dài từ ÷ 6m đóng thẳng đứng xuống đất độ sâu từ 0,5 ÷ 0,8m Chúng nối kết với cáp đồng trần, liên kết cọc nối đất cáp liên kết khí (sử dụng ốc xiết) hay hàn gió đá, tạo thành lưới nối đất Trong trường hợp nước ta, để giảm điện trở tiếp đất thường dùng biện pháp đơn giản : tăng số lượng cọc, kích thước cọc, cải tạo đất dùng than muối Các biện pháp dễ làm hiệu kinh tế không cao Cụ thể gặp số hạn chế sau : Điện trở nối đất khơng giảm tuyến tính theo số lượng cọc, nghĩa đến số lượng cọc định việc tăng số lượng cọc không đem lại hiệu cao, đồng thời làm gia tăng chi phí xây dựng hệ thống nối đất Dưới tác động muối, dẫn phận tiếp nối dễ dàng bị ăn mòn dẫn đến giảm tuổi thọ hệ thống nối đất Đồng thời muối phân tán bị rữa trôi Điều dẫn đến giá trị điện trở nối đất khơng ổn định đòi hỏi phải có chế độ kiểm tra tu theo định kỳ Việc liên kết phận nối đất ốc xiết khơng đảm bảo có mối liên kết tốt bền mặt dẫn điện Nhược điểm khắc phục phần hàn gió hàn điện, nhiên mối hàn không đạt chất lượng cao tưởng tản nhiệt nhanh hệ thống nối đất Không giảm giá trị tổng trở nối đất hệ thống nối đất không giảm thành phần dung kháng Các nhươc điểm khắc phục nhờ ứng dụng thiết bị, vật liệu cơng nghệ trình bày phần sau 1.5- Thiết bị, vật liệu công nghệ : Hiện Việt Nam xuất nhiều thiết bị công nghệ cho phép nâng cao chất lượng hiệu hệ thống nối đất a) Điện cực nối đất: Hiện sử dụng phổ biến cọc thép bọc đồng đường kính 13 mm có độ dẫn điện tốt, độ chống ăn mòn cao tác động khí hay đất bao bọc xung quanh, bền vững cho kết nối lắp đặt Ở số nơi vùng đất thủy triều, đầm muối, đất phủ tro, vùng đất phủ tham cám mơi trường ăn mòn khác cọc thép không rỉ khuyến cáo sử dụng Các cọc bền vững với khí hậu ăn mòn Điển hình cho loại thép khơng rỉ với hàm lượng Crom tinh chất 17% phủ lớp austenitic Đường kính cọc tăng điện trở nối đất giảm, nhiên kết thực nghiệm cho thấy đường kính cọc tăng gấp đơi điện trở nối đất giảm12,5% Vì đường kính cọc chọn chủ yếu theo điều kiện độ bền học để cọc đóng xuống đất không bị cong hay gẫy Quan hệ điện trở nối đất theo chiều cọc φ13mm, đóng đất có điện trở suất 10Ωm Ta nhận thấy với chiều dài cọc lớn 5m điện trở nối đất giảm không đáng kể, thực tế cọc chuẩn thường có kích thước 1,4m; 2,4m 3m Trong trường hợp tầng đất có điện trở suất lớn sử dụng cọc nối đất sâu cho phép vươn tới tầng đất có điện trở suất nhỏ khơng bị khơng theo mùa Nhằm mục đích tăng diện tích tiếp xúc đất điện cực sử dụng băng đồng nối đất (0,5mm x 5mm) để liên kết cọc nối đất thay cho cáp đồng trần Từ ghi nhận thực tế dòng sét tản vào đất sân gơn có dạng chân chim nên cấu trúc hệ thống nối đất thơng dụng thường có dạng hình tia xuyên tâm với hệ thống cọc chính, dải băng đồng cọc phụ b) Liên kết phận nối đất : Gần công nghệ hàn hóa nhiệt CADWELD sử dụng để kết nối phận nối đất với chất lượng cao CADWELD có khả tạo mối nối phân tử đồng/đồng, đồng/thép, mà khơng cần lượng ngồi hay nguồn nhiệt Nguyên lý kết hợp chộn đầy chất hàn tác nhân phát cháy khuôn graphite Hợp chất hàn tùy thuộc vào kim loại hàn (oxyt đồng 43 Đồ Aùn Tốt Nghiệp nhôm cho mối hàn đồng/đồng) Sự phân hủy oxyt đồng nhôm tạo đồng chảy xỉ oxyt nhôm nhiệt độ cao 20000C Hình dạng, kích thước khuôn, cỡ kim loại hàn chế tạo cho thích hợp từ chi tiết hàn kích cỡ Các mối nối CADWELD có đặc điểm sau : Không hư hỏng hay giảm chất lượng với thời gian, tải dòng điện hiệu dây dẫn Mối hàn CADWELD mối nối phân tử nên khơng bị lỏng ăn mòn Phẩm chất nhận thấy dễ dàng quan sát Thiết bị nhẹ, khơng đòi hỏi nguồn ngồi khơng đắt tiền Trình tự thiết kế, tính tốn hệ thống nối đất: 2.1- Xác định điện trở suất đất : Điện trở suất đất xác định phương pháp điện cực tiếp đất mẩu phương pháp bốn điện cực 2.1.1 Phương pháp điện cực tiếp đất mẫu : Từ kết đo điện trở tiếp đất cọc tiếp đất (ống thép góc) xác định điện trở suất đất theo công thức sau : = ρ 2π R0.l [ Ωm] 4l ln d (A.1) Trong : Ro : Điện trở đo cọc tiếp đất thẳng đứng [Ω.2] l : Chiều dài cọc tiếp đất (được chôn đất tình từ bề mặt đất) [m] d : Đường kính ống, cọc tiếp đất [m] Trong trường hợp dùng thép góc cơng thức (A.1) thay d= 0,95b b: Chiều rộng thép góc [m.2] 2.1.2 Phương pháp điện cực : Điện trở suất đất xác định phương pháp điện cực Wenner Schlumberger Theo phương pháp Wenner (theo sơ đồ hình A.1a), điện trở suất đất xác định công thức : ρ = 2.π.R.a [Ωm] (A.2) Trong : a : Khoảng cách điện cực [m] R : giá trị điện trở đồng hồ [Ω] Theo phương pháp Schlumberger (theo hình A.1b), điện trở suất đất xác định công thức (l p = π R −d2 2.d ) [Ωm] (A.3) Trong : l = AB/2 d = MN/2 (xem sơ đồ hình A.1.b) 44 Đồ Aùn Tốt Nghiệp 2.2 Hệ số mùa : Điện trở suất đất phụ thuộc vào loại đất, độ rắn, độ ẩm, nhiệt độ chất hóa học có đất Do điện trở suất đất vùng khác thay đổi phạm vi rộng Độ ẩm nhiệt độ đất yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trị số điện trở suất đất Khi thiết kế thi công hệ thống nối đất ta cần biết giá trị điện trở suất đất lớn độ sâu đến 10m, nơi dự kiến trang bị hệ thống nối đất Nguyên tắc phổ biến để xác định điện trở suất đất đo đạc trực tiếp Vì điện trở suất đất thay đổi theo thời gian nên để có giá trị tính tóan phải bổ sung hệ số mùa vào giá trị điện trở suất đo Như điện trở suất dùng tính tốn xác định công thức : ptt = pđo.K Trong : ptt : Điện trở suất đất dùng tính tốn pđo : Điện trở suất đất đo K :Hệ số mùa Trong trường hợp số liệu đo đạc điện trở suất đất Khi thiết kế hệ thống nối đất dùng giá trị điện trở suất trung bình đất trình bày bảng A.1 BẢNG A.1: Điện trở suất trung bình số loại đất Loại đất Than bùn Đất đen, đất màu Đất sét Đất sét pha Điện trở suất trung bình đất [Ωm] Ở độ ẩm (15÷ 20)% 25 50 60 80 Loại đất cát pha ((3÷ 10)% sét) cát ẩm Đất đá Điện trở suất trung bình đất [Ωm] Ở độ ẩm (15÷ 20)% 300 400 500 1000 Điện trở suất đất tính tốn : ptt = Ktb ptb Trong : ptt : điện trở suất trung bình đất (lấy theo bảng A.1) Ktb : hệ số mùa trung bình = 1,6 Các số liệu hệ số mùa (theo giáo trình điện cao áp - Võ Tiến Đạt) BẢNG A.2 Loại đất Hình thức nối đất Nối đất làm việc nối đất an toàn Nằm ngang Thẳng đứng Nối đất chống sét Nằm ngang Thẳng đứng Độ chôn sâu [m] 0,5 0,8 0,8 0,5 0,8 0,8 2.3 Tính tốn điện trở tiếp đất : 45 Hệ số mùa K 4,5÷ 6,5 1,6÷ 1,4÷ 1,4÷ 1,8 1,2÷ 1,45 1,15÷ 1,3 Đồ Aùn Tốt Nghiệp 2.3.1 Lựa chọn loại điện cực tiếp đất : a) Nếu điện trở tiếp đất yêu cầu lớn 30Ω Chọn loại điện cực tiếp đất dây (dải) Kim loại nằm ngang đất (còn gọi dây dải tiếp đất nằm ngang) b) Nếu điện trở tiếp đất yêu cầu (15÷ 30)Ω chọn điện cực tiếp đất loại cọc (ống) đóng thẳng đứng xuống đất (gọi điện cực tiếp đất thẳng đứng) c) Nếu điện trở tiếp đất yêu cầu nhỏ 15Ω chọn điện cực tiếp đất loaị cực tiếp đất thẳng đứng chơn sâu có nhiều cực 2.3.2 Điện trở tiếp đất cực tiếp đất thẳng đứng : Điện trở tiếp đất cực tiếp đất thẳng đứng xác định công thức A.6 4.l ( l + 2h ) p R= ln 2.π l d ( l + 4h ) [Ω] (A.6) Trong : p: điện trở suất đất [Ωm] l : chiều dài cọc tiếp đất [m] h : khoảng cách từ mặt đất đến đầu phía ống [m] d : đường kính ống [m] Nều dùng thép góc d thay 0,95b [m] b: độ rộng thép góc [m] Căn vào công thức A.6 để giảm nhỏ điện trở tiếp đất tăng đường kính ống tăng chiều dài ống Nhưng qua tính tốn thực nghiệm người ta thấy d tăng lên đến cm, đường kính ống lớn 6cm, điện trở tiếp đất giảm (hầu khơng giảm) Vì đường kính ống chọn cho đảm bảo đủ độ bền học thường chọn : d = (2,5÷ 4) cm cho đất có độ rắn trung bình d = (4÷ 6) cm đất cứng Chiều dài ống vậy, không tăng q 3m lúc điện trở tiếp đất giảm chậm BẢNG A.3 : Giá trị điện trở cọc tiếp đất thép góc 40mm x 40mm x 40mm phía chơn sâu 0,7mm Chiều dài cọc tiếp đất Điện trở tiếp đất [Ω] điện trở suất đất [Ωm] 10 25 50 80 300 500 1000 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 6,8 4,95 4,00 3,35 2,91 16,5 12,5 10,0 8,39 7,27 34,0 24,5 20,0 16,8 14,54 54,0 39,5 32 26,8 23,26 190 150 120 100,6 87,24 340 249 200 168 145,4 680 490 400 335,4 290,8 2.3.3 Điện trở tiếp đất cực tiếp đất nằm ngang : Điện trở tiếp đất cực tiếp đất nằm ngang (bằng dây dải kim loại) đặt độ sâu h xác định công thức A.7 : R= 1,5l p ln π l b.h [Ω] 46 (A.7) Đồ Aùn Tốt Nghiệp Trong : l : chiều dài dải kim loại tiếp đất [m] b: bề rộng dải tiếp đất [m] h : độ sâu dải tiếp đất [m] p : điện trở suất đất [Ωm] Nếu dải kim loại dây dẫn có đường kính d công thức A.7 thay 2d(b=2d) Dây tiếp đất nằm ngang thường dùng dây thép mạ kẽm đường kính mm, đặt độ sâu h ≥ 0,7 m Chiều dải dải tiếp đất khơng lớn 12m , lớn 12m giá trị điện trở giảm (theo kinh nghiệm) Điện trở cực tiếp đất nằm ngang dây thép 4mm chôn sâu 0,7m tương ứng với giá trị ghi bảng A.4 BẢNG A.4 : Điện trở tiếp đất dây nằm ngang Chiều dài tiếp đất [m] 12 10 điện trở tiếp đất [Ω] điện trở suất đất [Ωm] 25 50 80 300 500 1000 3,6 2,0 1,4 7,8 5,0 3,0 370 200 130 18 10 29 16 11 110 60 45 170 100 70 2.3.4 Điện trở tiếp đất cực tiếp đất dạng vòng xuyến : a) Điện trở tiếp đất cực tiếp đất dạng vòng xuyến dải sắt xác định công thức A.8 Vòng xuyến đất dải sắt có bề rộng b Điện trở tiếp đất xác định công thức A.8 Rc = p 7D ln π D b.h [Ω] (A.8) Trong : ρ : điện trở suất đất [Ωm] D : đường kính vòng xuyến [m] b : bề rộng dải (vật liệu) [m] h : độ sâu đặt tiếp đất [m] b) Điện trở tiếp đất cực tiếp đất dạng vòng xuyến dây dẫn : Điện trở tiếp đất cực tiếp đất dạng vòng xuyến dây dẫn xác định cơng thức A.9 p 5D Rđ = ln π D b.h [Ω] (A.9) Trong : p : điện trở suất đất [Ωm] D : đường kính dây [m] cơng thức A.10 b : bề rộng dải (vật liệu) [m] h : độ sâu đặt tiếp đất [m] Rñ = p 1,27l ln π l b.h 47 [Ω] (A.10) Đồ Aùn Tốt Nghiệp Trong : l = π D l : chu vi hình xuyến [m] 2.3.5 Cực tiếp đất dạng : a Nếu cực tiếp đất dạng nằm mặt đất, điện trở tiếp đất xác định cơng thức A.11 p Rđ = 2.D [Ω] (A.11) Trong : D : đường kính chọn [m] b Nếu cực tiếp đất dạng tròn đặt độ sâu h[m] đất với điều kiện h > 1/2D điện trở tiếp đất xác định công thức A.12 p2 l + γ d π h [Ω] (A.11) (Tiếp đất dạng dùng phải đào nhiều đất) c Nếu trang bị hệ thống tiếp đất cực tiếp đất mà không nhận điện trở tiếp đất theo yêu cầu phải trang bị nối đất tiếp đất nhiều cực Tùy theo địa hình, nơi đặt hệ thống tiếp đất tùy theo giá trị tiếp đất yêu cầu mà kết cấu thiết bị tiếp đất cọc tiếp đất đóng vào đất theo vòng tròn khép kín hình chữ nhật, hình vng bố trí thành dây Nếu dây (dải) tiếp đất bố trí theo hình sao, nhiều tia (từ trung tâm tỏa nhiều tia) Để giảm ảnh hưởng che chắn điện cực tiếp đất, yêu cầu khoảng cách chúng không nhỏ lần chiều dài điện cực Khoảng cách dây điện cực không nhỏ nửa chiều dài dây d Để nhận điện trở tiếp đất theo yêu cầu, số cọc tiếp đất nhiều (8÷ 10) cọc, phải dùng hệ thống tiếp đất chơn sâu (5÷ 30) m Để có lớp đất bão hòa độ ẩm độ dẫn tốt e Điện trở tiếp đất tổng hệ thống tiếp đất gồm nhiều ống có điện trở giống nốisong song dây (thanh) nối Điện trở hệ thống tiếp đất có nhiều điện cực khơng hồn tồn tn theo qui luật nối song song điện trở Khi nối song song tiếp đất giống ta cần xét thêm ảnh hưởng lẫn tiếp đất, làm cho điện trở tiếp đất chung giảm, không tỉ lệ thuận với số cọc tiếp đất giống nốisong song Điện trở hệ thống tiếp đất gồm nhiều ống nhau, có điện trở giống nối song song dây (dải) cách ly với đất Được xác định theo công thức thực nghiệm gần A.13 Rñ = Rñ = R0 n.η1 [Ω] (A.13) Trong : Rđ : điện trở thiết bị tiếp đất [Ω] R0 : điện trở tiếp đất Icọc (ống) n : Số ống tiếp đất η1 : hệ số sử dụng ống tiếp đất Việc sử dụng giá trị bảng A.5 bảng A.6 tùy theo kết cấu cọc ống Điện trở tổng hệ thống tiếp đất gồm nhiều ống nhau, có điện trở giống nối song song dây trần dải không cách li với đất xác định theo công thức A.14 48 Đồ Aùn Tốt Nghiệp Rñ = R01 R02 R01 η + R02 η1 n [Ω] (A.14) Trong : R01 : điện trở tiếp đất ống [Ω] R02 : điện trở tiếp đất dây dải nối [Ω] η2 :hệ số sử dụng dây dải nối n : số cọc (ống) Hệ số sử dụng η2 chọn theo giá trị ghi bảng A.7 A.8 tùy theo kết cấu tiếp đất BẢNG A.5 : Hệ số sử dụng η1 hệ thống tiếp đất ống hay thép góc đặt thành hàng khơng xét ảnh hưởng dây (dải) Tỷ số khoảng cách ống (thép góc) với chiều dài ống d/l 49 Số ống thép góc (n) Hệ số η 10 15 20 0,84÷ 0,87 0,76÷ 0,8 0,67÷ 0,72 0,56÷ 0,62 0,51÷ 0,56 0,47÷ 0,5 10 15 20 0,9÷ 0,92 0,85÷ 0,88 0,79÷ 0,83 0,72÷ 0,77 0,66÷ 0,72 0,65÷ 0,70 10 15 20 0,93÷ 0,95 0,90÷ 0,92 0,85÷ 0,88 0,79÷ 0,83 0,76÷ 0,80 0,74÷ 0,79 Đồ Aùn Tốt Nghiệp BẢNG A.6 : Hệ số sử dụng η1 hệ thống tiếp đất ống hay thép góc đặt theo khung thép kín khơng tính ảnh hưởng dây (dải) nối Số ống thép góc (n) Hệ số η 10 20 40 60 10 0,76÷ 0,80 0,71÷ 0,75 0,66÷ 0,71 0,61÷ 0,66 0,55÷ 0,61 0,52÷ 0,58 0,49÷ 0,55 10 20 40 60 100 0,84÷ 0,86 0,78÷ 0,82 0,74÷ 0,78 0,68÷ 0,73 0,64÷ 0,69 0,62÷ 0,67 0,59÷ 0,65 Tỷ số khoảng cách ống (thép góc) với chiều dài ống d/l BẢNG A.7 : Hệ số sử dụng η2 dây dải nối ống hay thép góc đặt thành hàng Tỷ số khoảng cách ống (thép góc) với chiều dài ống d/l 0,89 0,92 0,86 0,90 Số ống (thép góc) khung kín 10 20 30 50 0,79 0,85 0,75 0,82 0,56 0,68 0,46 0,58 65 0,36 0,49 0,34 0,47 BẢNG A.8 : Hệ số sử dụng η2 dây dải nối ống hay thép góc đặt thành khung kín Tỷ số khoảng cách ống (thép góc) với chiều dài ống d/l Số ống (thép góc) khung kín 10 20 30 50 50 70 90 Đồ Aùn Tốt Nghiệp 0,55 0,7 ± 0,15 0,48 0,43 0,40 0,64 0,6 0,56 ± 0,16 ± 0,17 ± 0,16 0,32 0,45 ± 0,13 0,30 0,41 ± 0,11 0,28 0,37 ± 0,09 0,26 0,35 ± 0,09 BẢNG A.9 : Hệ số sử dụng η tiếp đất nhiều tia Chiều dài tia m 2,5 5,0 10,0 15,0 0,65 0,78 0,81 0,82 0,71 0,76 0,79 0,80 Số tia n 4(+) Đường kính tia (cm) 0,63 0,61 0,67 0,65 0,70 0,69 0,72 0,70 0,50 0,53 0,57 0,59 0,48 0,51 0,55 0,57 f.Số điện cực tiếp đất tính tốn theo cơng thức A.15 : n= R0 R ≈ η.R 0,8 R (A.15) Trong đó: n : số điện cực (ống) tiếp đất R0 : Điện trở tiếp đất điện cực R : Điện trở tiếp đất (1 ống) yêu cầu η : Hệ số sử dụng lấy 0,8 g.Điện trở tiếp đất tính theo cơng thức A.16 : n= p 4l ln − l + N (l ) π l.n d [Ω] (A.16) Trong : l : chiều dài tia [m] d: đường kính dây n : số tia Hàm số N(n) xác định biểu thức : k l + sin π − n N ( n) = ∑ ln k k −1 sin π − n Với n > N(n) ≈ 3,414n.l(n-1) -ln(n) Gía trị N(n) phụ thuộc số tia n, xác định bảng A.9 Bảng A.10 : Sự phụ thuộc tia N(n) vào n n −1 N N(n) 0,7 1,53 2,45 4,42 6,5 12 11,0 100 11,6 3.Tính tốn hệ thống tiếp đất cho trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM : 51 0,24 0,33 ± 0.09 Đồ Aùn Tốt Nghiệp 3.1 Các phương án tính điện trở nối đất: Phương án 1: dùng nhiều cọc cáp đồng thời với theo dạng hình tia hay vòng khép kín Phương án : dùng than muối hay đất mượn để cải tạo đất dùng sơ đồ cọc phương án Phương án : dùng hóa chất GEMdo cơng ty chống sét Tồn Càu cung cấp dùng sơ đồ cọc phương án 1(dùng GEM đổ cọc vào đồng ) * Tính ưu - khuyết điểm phương án Phương án : tốn nhiều cọc cáp đồng điện trở suất đất lớn nên số lượng va cáp đồng tăng, chi phí vận hành cao, tốn nhiều nhân cơng, khó kiểm tra có cố nên không chọn phương án để thiết kế cho trạm Phương án : giảm tối thiểu số lượng cọc cáp đồng chi phí vận hành khối lượng đất mượn cao chi phí cho việc đào hố để đặt kối đất mượn tốn Do địa hình trạm đất núi nên phương án ta khơng thể chọn Mặc dù có giảm đáng kể số lượng cọc cáp đồng bù lại chi phí khác lại tăng cao Phương án : giảm tối thiểu số lượng cọc cáp đồng, điện trở nối đất giảm theo yêu cầu, dễ kiểm tra, chi phí vận hành ít, dễ lắp đặt tính tốn Vậy để an tồn cho người làm việc bảo vệ hệ thống an toàn nên chọn phương án để thiết kế cho hệ thống nối đất 3.2 Hệ thống nối đất cho tất vị trí: + cọc đồng lỏi thép, đường kính 16mm, dài 3m Các cọc bố trí tâm hệ thống nối đất đầu tia phụ + 40m cáp đồng trần có tiết diện 70mm bố trí theo dạng chân chim, hình tia chôn sâu 0,5m.(bản vẽ phần phụ lục) 3.3.Điện trở hệ thống cọc thanh: (được tính phần mềm tính tốn GEM) Điện trở cọc : Rcọc = Rc = 14 Ω Số bao hóa chất GEM bao Điện trở cáp đồng trần : Rthanh = Rth = 9,2Ω Số bao Gem bao Điện trở hệ thống : Rc Rth Rht Rc ηc Rth ηth = Trong : + ηc hệ số sử dụng cọc Tra bảng A.5 TCN68-141 : 1995 nội suy tìm ηc = 0,86 + ηth hệ số sử dụng Tra bảng A.7.TCN68 – 141 : 1995 nội suy tìm ηth = 0,9 Thay vào công thức : Rth = 6,33Ω Suy Rth = 6,33Ω < 10 Ω : đạt yêu cầu thiết kế 4.Nội dung công tác : 4.1.Hệ thống : - Lắp ráp bầu thu sét INTERCEPTOR Model B 52 Đồ Aùn Tốt Nghiệp - Lắp đặt hệ thống chống sét gồm bầu thu Interceptor, cột đỡ, dây sét lên đỉnh tòa nhà - Đo điện trở đất vị trí lắp đặt - Xử lý cải tạo đất - Lắp đặt hệ thống nối đất nối đất vị trí định sẵn.(bản vẽ phần phụ lục) 4.2.Hệ thống củ : - Kiểm tra liền mạch hệ thống dùng lồng Faraday kim Franklin - Đo lại điện trở đất - Xử lý cải tạo đất (nếu cần) - Kiểm tra lại hệ thống nối đất 53