II. Kim thu sét phát xạ sớm
1. Kim thu sét phĩng điện sớm Dynasphere
Hình 2-2:Kim thu sét Dynasphere
a) Vật liệu kích thước đầu thu .
355mm Đầu tiếp đất
Hình 2.3: Các bộ phận đầu thu sét phĩng điện sớm Dynasphere.
Bầu thu Dynasphere
- Vật liệu của đầu Dynasphere khơng ăn mịn trong khơng khí bình thường. - Đầu tiếp đất cĩ tiết diện 300mm2 được làm bằng vật liệu khơng chứa sắt. - Quả cầu bên ngồi được làm bằng nhơm anod hĩa cĩ kích thước:
Dài (L) x Rộng(R) = 335mm x 280mm - Trọng lượng tồn bộ của Dynasphere trên 4 Kg. b) Đặc điểm kỹ thuật .
- Điện cực sẽ phản ứng một cách động học với sự xuất hiện của luồng sét bằng cách tạo ra các điện tử tự do ( tạo ion ) và hiện tượng quang ion hĩa ( giải phĩng ion) giữa bề mặt quả cầu và mũi nhọn của cọc tiếp đất nhằm chủ động phát ra tia phĩng điện sớm lên phía trên nhanh hơn bất kì một đỉnh nhọn nào gần đĩ.
- Đầu thu khơng gây phĩng xạ đến mơi trường xung quanh.
- Hình dạng bên ngồi của đầu thu nhằm giảm nhỏ sự hình thành vầng quang (corona) dưới trường tĩnh điện của cơn dơng.
- Đầu thu khơng cần nguồn cung cấp năng lượng bất kỳ bộ phận nào cho nĩ, đầu thu khơng chứa phần động.
- Đầu thu được làm bằng vật liệu khơng bị ăn mịn trong điều kiện khí quyển bình thường.
- Đầu thu được cách điện khỏi cấu trúc cần được bảo vệ. Thể tích vùng thu và bán kính hấp dẫn của đầu thu được đưa ra từ thống kê và những nghiên cứu về sét được chấp nhận và biết đến.
- Đầu thu được đặt tối thiểu 10m từ mặt đất.
- Đầu thu được lắp đặt nghiêm ngặt theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Dịng sét XX Mức bảo vệ YY Khả năng xuất hiện
3kA Rất cao 99%
6kA Cao 98%
10kA Trung bình 93%
15kA Chuẩn 85%
20kA Thấp 75%
Bảng 2.1 : Sự liên quan của dịng sét và mức bảo vệ
- Vùng bảo vệ được qui định bởi điện cực phải thích hợp với điểm sét đánh cho tất cả các sét vượt quá biên độ của dịng điện XX1KA theo mức bảo vệ YY2. Thiết kế phải tính tốn đến sự phĩng một tia đi lên của điểm cạnh tranh ( mũi nhọn, gờ mái,…) từ cơng trình từ bảo vệ.
1Đặc trưng giá trị dịng điện sét. 2
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 48
c) Nguyên lý hoạt động ở đầu thu .
Hinh 2.4: Mơ tả nguyên lý hoạt động của Dynasphere.
- Ở dạng đơn giản Dynasphere gồm một thanh kim loại nhọn đầu được nối đất và một quả cầu kim loại bọc lấy thanh. Nối giữa quả cần và thanh nhọn là một trở kháng cao.
- Trong điện trường tương đối ổn định cịn gọi là điện trường tĩnh (thường xảy ra dưới một cơn dơng) thì Dynasphere là một thiết bị thụ động. Trong trường hợp tĩnh điện này quả cầu được nối đất qua trở kháng và cực tiểu hĩa Corona do dạng hình học của nĩ.
- Trong trường điện động, khi cĩ sự gia tăng nhanh chĩng và đột ngột của điện trường khí quyển, quá trình quá độ xảy ra, việc tiếp cận một tia phĩng xuống và mặt cầu .
- Mặt cầu sẽ phản ứng lại sự tăng nhanh điện trường bằng cách tăng thế do hằng số thời gian dài tạo bởi kênh trở kháng cao. Một khe phĩng điện được hình thành do sự chênh lệch thế giữa quả cầu và thanh. Tác động này làm thiết bị giải phĩng năng lượng đã tích lũy dưới dạng ion, tạo ra một đường dẫn tiên đạo lên phía trên chủ động dẫn sét.
d) Nguyên lý xác định vùng bảo vệ .
- Xác định vùng bảo vệ của đầu thu Dynaphere dựa trên nguyên lý thể tích hấp thu. Vùng bảo vệ được xây dựng từ một bán cầu phĩng điện cĩ bán kính phụ thuộc vào cường độ sét và một Parabol giới hạn bán cầu đĩ. Tùy theo mức độ bảo vệ cơng trình, tương ứng với điện lượng hay cường độ dịng sét, mà ta xác định vùng bảo vệ khác nhau.
Cường độ sét (kA) Điện lượng (C) Mức bảo vệ Phần trăm bảo vệ
6 0,5 Cao 98%
10 1 Trung bình 93%
15 1,5 Tiêu chuẩn 85%
Bảng 2.2: Sự liên quan của dịng sét và điện lượng.
- Kim thu sét Dynaphere được đặt trên cơng trình sao cho vùng bảo vệ của nĩ phủ khắp vùng thu sét của các điểm cạnh tranh của cấu trúc cần bảo vệ Rbv của Dynasphere phải bao trùm bán kính vùng cạnh tranh Rct của các điểm cạnh tranh.
- Bán kính vùng bảo vệ tùy thuộc vào độ cao cơng trình, độ cao thanh đỡ và mức bảo vệ. Z Z
e).Ưu điểm của đầu thu .
Tính chủ động tạo đường dẫn sét :
- Tất cả các cấu trúc trên cơng trình đều cĩ khả năng tạo ra kênh dẫn về phía trên. Tuy nhiên, vần đề thời gian tạo ra chúng mới là quan trọng. Một đầu thu sét tạo tia tiên đạo cĩ thể tạo một đường dẫn sét về phía trên sớm hơn một khoảng thời gian T so với kim thu sét thơng thường. Đại lượng này được xác định trong phịng thí nghiệm cao áp và ngồi hiện trường giữa một đầu thu sét tạo tia tiên đạo và một kim thu sét thơng thường ở trong cùng một điều kiện.
Hình 2.4 : Mơ tả độ lợi L của kim phĩng điện sớm.
D: Khoảng cách phĩng điện phụ thuộc vào yêu cầu cần bảo vệ.
D SR T T T SR
T : Là thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của một kim thu thơng thường. TD : Là thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của đầu thu Dynasphere.
- Độ dài của kênh dẫn về phía trên so với kim thu sét thơng thường, đầu thu Dynasphere cĩ thể tạo ra đường dẫn tiên đạo sớm hơn một khoảng thời gian T và do đĩ tạo ra một độ lợi L:
L (m) = V (m/s). T(s) i). Chọn cấp bảo vệ .
Các dữ liệu được thu nhập từ các kết quả nghiên cứu trên tồn thế giới đưa ra kết quả giúp cho việc thiết kế chống sét đạt hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao.
Bảng 2-5:Quan hệ giữa mức bảo vệ với biên độ dịng sét và điện tích tiên đạo sét
Điện tích tiên đạo (Q) Dịng tiên đạo (I) Khả năng
xuất hiện Cấp bảo vệ
0,5C 6,5kA 98% Cao
0,9C 10kA 93% Trung bình
1,5C 16kA 85% Chuẩn
L D
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 50
Bảng 2.5 được dùng để xác định các mức bảo vệ, các cấp bảo vệ liên hệ trực tiếp với dịng phĩng I và điện tích tiên đạo Q tương ứng. Một mối liên hệ thực nghiệm được cho: I = 10,6.Q0,7
Với I đo bằng kA ; Q đo bằng Comlombs.
- Một dịng sét cĩ biên độ 6,5 kA sẽ ứng với một điện tích tiên đạo xấp xỉ 0,5C.
Từ tính tốn và ngoại suy khác (bảng 2.2), được mối quan hệ mức bảo vệ với biên độ dịng sét điện tích tiên đạo như và trình bày trong bảng 2.6
* Tùy thuộc vào tầm quan trọng của cơng trình xây dựng để quyết định chọn mức bảo vệ thích hợp trong thiết kế chống sét.
Như vậy từ bảng 2.6 ta cĩ thể xác định mức bảo vệ theo các đặc tính thống kê về sét của cơng trình cần bảo vệ.
k). Bán kính bảo vệ .
- Vùng thu là vùng khơng gian trên đầu thu mà khi cĩ một tia sét đi vào vùng đĩ, sẽ được một tia phĩng lên đĩn lấy ( phương pháp thể tích hấp thu ).
- Vùng sét được xây dựng từ một bán cầu khoảng cách phĩng (bán cầu cĩ bán kính là khoảng cách phĩng lên một tiên đạo của đầu thu) và một Parabol giới hạn bán cầu đĩ.(hình 2-5)
Hình 2.5 cho thấy cách xác định bán kính bảo vệ Ra của đầu thu từ thể tích vùng thu.
-Bán kính bảo vệ của Dynasphere theo các tham số thống kê thay đổi theo từng dự án chống sét, cụ thể thay đổi theo cấp bảo vệ, chiều cao của cơng trình,… ( Số liệu cho trong bảng 2.6).
Bán kính thu hút sét (m) theo mức bảo vệ Độ cao cơng trình (m) Độ cao của cột đỡ dynasphere(m) Độ cao
tổng(m) Rất cao 98% Cao 93% Chuẩn 85%
(1) (2) (3) (4) (5) (6) 5 5 10 35 47 60 10 5 15 45 60 77 15 5 20 48 66 84 20 5 25 55 75 97 25 5 30 60 83 107 30 5 35 62 86 112 (1) (2) (3) (4) (5) (6) 40 5 45 67 95 120 50 5 55 69 100 120 60 5 65 71 100 120 70 5 75 73 100 120 80 5 85 73 100 120 90 5 95 73 100 120 100 5 105 73 100 120
Bảng 2.6: Bán kính thu hút sét của điện cực phát xạ sớm Dynasphere
l).Xác định vị trí đặt đầu thu .
Đầu thu sét Dynasphere được lắp đặt ở độ cao 5m, được đặt trên điểm cao nhất của cơng trình cần bảo vệ và cĩ độ cao cách mặt đất tối thiểu là 10m.
Hình 2.6 : Mơ hình đặt vị trí kim thu.
RC
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 52
Một hay nhiều đầu thu của Dynasphere được đặt trên cơng trình sao cho vùng thu của nĩ phủ lấp các vùng thu của các điểm cạnh tranh của cấu trúc (đỉnh nhơ ra, gĩc nhọn, gờ mái, …) hay nĩi cách khác, bán kính vùng thu của Dynasphere phải bao trùm các bán kính vùng thu của các điểm cạnh tranh .Bán kính cạnh tranh là thơng số phụ thuộc vào độ cao,đặc điểm của điểm cạnh tranh,cường độ dịng sét,…( Số liệu cho trong bảng 2.7).
H(m) Rct(m) H(m) Rct(m) H(m) Rct(m) 3 12 14 30 26 37 4 17 16 31 28 38 6 20 18 33 32 39 8 23 20 34 34 40 10 26 22 35 45 41 12 28 24 36 70 42
Bảng 2.7:Bán kính cạnh tranh tùy thuộc vào độ cao H.
2. Dây Ericore:
Kỹ thuật gần đây nhất trong việc dẫn năng lượng sét xuống đất là dùng một dây dẫn xuống bọc cách điện. Dây Ericore được thiết kế với 2 màng chắn và 1 màng bọc dẫn điện bên ngồi, vật liệu khơng dẫn điện được chọn lọc kỹ lưỡng đảm bảo sự cách điện dưới điều kiện xung điện cao.
a).Cấu tạo dây Ericore:
- Gồm một dây dẫn căng ở giữa bao bọc bằng lõi nhựa. Lớp thứ 2 là một dây đồng xoắn ốc, tiết diện hiệu dụng 50 mm2 là lớp dẫn dịng chính, được cách điện sơ cấp bao bọc.
- Băng bọc bằng đồng bọc bên ngồi cách điện sơ cấp và nĩ được cách điện thứ cấp bao bọc. Cách điện thứ cấp được một lá kim loại bao bọc mà bên ngồi cĩ bọc dẫn điện. Nếu bỏ phần ở giữa là lõi nhựa, kết cấu giống như một vật dẫn trung thế.
- Đường kính ngồi của dây Erecore nhỏ hơn 40mm. Điện áp xung dạng sĩng 1.2/50s giữa các lớp dẫn điện khơng nhỏ hơn 250 kV.
- Lớp dẫn điện chính được nối trực tiếp với phần của một đầu tiếp điện trên khơng. Trong 3m cuối tiếp đất dây thu lơi được đặt trong ống bảo vệ PVC dày tối thiểu 3mm để tránh hư hại về cơ và tăng độ an tồn cho người . Dây tiếp đất được lắp theo sự chỉ dẫn của nhà chế tạo, cĩ bán kính uốn cong cho phép khơng được nhỏ hơn 0,5m. Dây dẫn xuống được gắn chặt vào cơng trình xây dựng bằng các kẹp kim loại, khoảng cách giữa các kẹp ít nhất là 2m hoặc đi âm trong tường.
b).Ưu điểm của dây Ericore .
- Dẫn dịng xung sét xuống đất an tồn. - Chỉ cần một dây dẫn.
- Lựa chọn được đường dẫn sét, đi ngầm bên trong cơng trình. - Kín đáo và thẩm mỹ.
- Khả năng phĩng điện biên được loại bỏ.
- Khơng cần nối đặc biệt, trừ khi nối thép xây dựng hay với tiếp địa chống sét.
- Sự lắp đặt dây dẫn Ericore với hệ thống tiếp đất đơn cĩ chi phí thấp hơn bất cứ hệ thống chống sét nào của kỹ thuật cổ điển.
3. Thiết bị đếm sét .
Thiết bị đếm sét là một máy ghi cơ học giám sát bằng điện tử, nhằm ghi lại sự hoạt động cho mỗi lần sét tại điểm đo. Mỗi cuộn dây Toroidal đặc biệt lắp đặt đơn giản trên bộ phận tiếp đất của dây Ericore, để cảm ứng với năng lượng sét và tác động mạch đếm.
Thơng số kỹ thuật (thiết bị đếm sét LEC 3) : - Xung sét kích hoạt 1,5kA 8/20s
- Chỉ thị xung sét ghi nhận được trên màn hình LCD - Nhiệt độ mơi truờng làm việc từ –100C +500C
- Dể dàng lắp đặt cho hệ thống sét đã cĩ hay đang xây dựng - Tuổi thọ pin là 7 năm.
Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Quyền Huy Aùnh
SVTH:Đạo Thiên Vũ Trang 54
Hình 2-12:thiết bị đếm sét LEC 3
4. Hệ thống tiếp đất . a) Điện cực tiếp đất .
Hiện nay sử dụng phổ biến nhất là cọc thép bọc đồng đường kính 13mm vì nĩ cĩ độ dẫn điện tốt, chống ăn mịn cao do tác động của khí quyển hay đất bọc xung quanh, bền vững cho kết nối và lắp đặt. Ở một số nơi do vùng đất thủy triều, đầm muối, đất phủ tro, vùng đất phủ than cám và các mơi trường ăn mịn khác, cọc thép khơng rỉ được khuyến khích sử dụng. Các cọc này rất bền với khí hậu và ăn mịn. Điển hình cho loại này là thép khơng rỉ với hàm lượng crơm tinh chất là 17% và phủ một lớp austenitic.
Đường kính cọc càng tăng thì điện trở đất càng giảm, tuy nhiên các kết quả thực nghiệm cho thấy đường kính cọc tăng gấp đơi thì điện trở nối đất chỉ giảm 12,5%. Vì vậy, đường kính cọc được chọn chủ yếu theo điều kiện độ bền về cơ học để đĩng xuống đất khơng bị cong hay gãy.
Hình 2-13: Cọc và băng đồng tiếp đất.
Quan hệ điện trở nối đất theo chiều dài cọc 13mm, đĩng ở đất cĩ điện trở suất 10m. Nhận thấy rằng nếu chiều dài cọc lớn hơn 5m thì điện trở nối đất giảm khơng đáng kể. Vì vậy, thực tế các cọc chuẩn thường cĩ kích thước 1,4m2,4m và 3m. Trong trường hợp tầng đất trên cĩ điện trở suất lớn thì cĩ thể sử dụng cọc nối đất sâu cho phép vươn tới tầng đất cĩ điện trở nhỏ hơn và khơng bị phụ thuộc theo mùa.
Nhằm mục đích tăng diện tích tiếp xúc giữa đất và điện cực, ta cĩ thể sử dụng băng đồng nối đất (0,5mm x 0.5mm ) để liên kết các cọc nối đất thay cho dây cáp đồng trần.
Ngồi cọc thép bằng đồng,hiện nay trên thị trường cũng đã cĩ loại cọc hĩa chất tiếp đất CHEMROD được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực:Viễn thơng, phát thanh-truyền hình, cơng nghiệp, hàng khơng,hĩa dầu, quân sự,…
Nhằm đạt được điện trở thấp, ổn định và hiệu quả lâu dài trong những điều kiện nối đất khĩ khăn, Erico khuyến khích dùng loại cọc này. Những ưu điểm vượt trội của cọc hĩa chất Chemrod bao gồm:
- Cọc được đổ đầy hĩa chất phân li điện tích nhằm giảm điện trở suất của đất. - Tổng trở nối đất thấp, tản hiệu quả dịng sét và dịng ngắn mạch
- Thay thế cho hệ thống cũ nhiều cọc mà hệ thống này chỉ thích hợp những nơi cĩ diện tích lắp đặt rộng.
- Cĩ cấu trúc chắc chắn bao gồm: Ống đồng loại K, hĩa chất phân li điện tích thẩm thấu vào đất, mối hàn hĩa nhiệt CADWELD và vật liệu lấp loại tốt.
- Dễ dàng kết nối với dây nối điện cực
- Cung cấp hệ thống nối đất tin cậy, ổn định theo mùa
- Kiểu cọc L cĩ thể lắp nằm ngang trong rãnh, thích hợp với những nơi khơng thể chơn sâu.
- Hộp nối kiểm tra nối đất bảo vệ cọc cho phép khơng khí và hơi ẩm đi vào, dể dàng mở kiểm tra và bổ sung hĩa.
- Các thanh dẫn dài sắp hình tia đính kèm theo cọc, cho phép giảm tổng trở sét với tần số cao và kiểm sốt được hướng tiêu tán năng lượng.
- Chiều dài liên tục của cọc cĩ thể lên đến 610cm và các cọc dài hơn cĩ thể được lắp ráp từ những đoạn 305cm.
- Thỏa nhiều tiêu chuẩn, cĩ thể được cung cấp một phần hay nguyên bộ theo yêu cầu khách hàng.
b) Liên kết các bộ phận nối đất .
Các mối nối thường là điểm yếu của mạch điện, do chúng cĩ thể bị lão hĩa, bị ăn mịn nhanh và hạn chế khả năg dẫn dịng. Khả năng bảo vệ an tồn cho người và thiết bị của hệ thống