Khái niệm cơ bản

CHƯƠNG 3 : HỆ THỐNG CHỐNG SÉT, NỐI ĐẤT

2.2. Hệ thống chống sét

2.2.1. Khái niệm cơ bản

Sét (hay cịn gọi là sự phóng điện dơng) là một nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất xảy ra trong tự nhiên. Nguyên nhân làm xuất hiện sét là do sự hình thành các điện tích khối lớn.

Nguồn sét chính là các đám mây mưa dơng mang điện tích dương và âm ở các phần trên và dưới của đám mây. Chúng tạo ra xung quanh đám mây này một điện trường có cường độ lớn.Trong q trình tích lũy các điện tích trái dấu, một điện trường có cường độ ln được gia tăng hình thành xung quanh đám mây. Khi điện thế ở một điểm bất kỳ của đám mây đạt giá trị tới hạn vượt quá ngưỡng cách điện của khơng khí (với áp lực khí quyển bình thường khoảng 3.106 V/m), ở đó xảy ra sự đánh xuyên hay cịn gọi là sét tiên đạo.Theo ước tính trong mỗi giây đồng hồ có khoảng một trăm sét đánh xuống mặt đất. Sét gây ra các tai nạn cho con người, phá hoại các cơng trình xây dựng, năng lượng điện, hàng không, thiết bị điện tử, các đài, trạm quan sát tự động, các hệ thống thông tin liên lạc, trạm viễn thông,.v.v.

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kỹ thuật hiện đại thì sự phá hoại của sét ngày càng tăng. Theo báo cáo và khảo sát thống kê các hư hỏng do sét gây ra đối với các cơng trình viễn thơng là cực kỳ nghiêm trọng : làm chết và bị thương hàng trăm người, phá hỏng hàng chục máy biến áp (trong đó có trên 11 trạm biến áp có cơng suất từ 100kA đến 180kA), gây hư hỏng nghiêm trọng cho hệ thống chuyển mạch và truyền dẫn của tổng cơng ty Bưu chính viễn thơng Việt Nam Tháng 5/2000 sét đánh vào đường dây cung cấp trung thế AC gây hỏng thiết bị chống sét phần hạ áp của trạm biến thế, dòng sét cảm ứng vào cáp điện thoại, cáp trung kế từ chuyển mạch sang truyền dẫn gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho các card nguồn, card trung kế, và card thuê bao hệ thống tổng đài NEAX 61S tại trạm HOST Phủ Lý Hà

71

Nam. Vào cuối tháng 10/2000 sét đánh gây hỏng 5 Card Modem trạm VMS2 thiệt hại ước tính 3000Dolas.v.v.

a, Sự hình thành sét và các đặc trưng cơ bản

Nguyên nhân làm xuất hiện sét là do sự hình thành các điện tích khối lớn. Nguồn sét chính là các đám mây mưa dơng mang điện tích dương và âm ở các phần trên và dưới của đám mây, chúng tạo ra xung quanh đám mây này một điện trường có cường độ lớn.

Hình 3-4. Quá trình hình thành sét

Sự hình thành các điện tích khối với các cực tính khác nhau trong đám mây (hay còn gọi là sự phân cực của đám mây) có liên quan đến sự ngưng tụ do làm lạnh hơi nước của luồng khơng khí nóng đi lên, tạo ra các ion dương và âm (các trung tâm ngưng tụ) và liên quan đến cả sự phân chia các giọt nước mang điện trong đám mây dưới tác dụng mạnh của luồng khơng khí nóng đi lên.

Trong q trình tích luỹ các điện tích có phân cực khác nhau, một điện trường với cường độ ln được gia tăng hình thành xung quanh đám mây. Khi Gradient điện thế ở một điểm bất kỳ của đám mây đạt giá trị tới hạn về tính chất cách điện của khơng khí (với áp lực khí quyển bình thường, khoảng 3.106 V/m) ở đó xảy ra sự đánh xuyên hay sét tiên đạo.

Sét gây ra các tác hại tĩnh điện, điện từ, nhiệt, động lực đến các đối tượng xung quanh như thiết bị kỹ thuật điện, đường dây thơng tin, tín hiệu, truyền số liệu, đường dây điện lực, các phương tiện thông tin, vô tuyến điện tử và thường gây ra các thiệt hại lớn.

Phân loại sét

Theo dấu hiệu phía ngồi sét được phân ra thành một số loại. Loại phổ biến nhất là sét vạch với các dạng khác nhau như : sét dải, sét dạng tên lửa, sét dạng chữ chi và dạng nhánh, loại hiếm thấy nhất là sét cầu. Sét vạch thường gặp nhất trong thiên nhiên và cũng chính là nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất.

72

Sét vạch gồm có các loại như sau:

- Sét vạch “Đám mây - Lớp khí quyển phía trên”; - Sét vạch “Đám mây - Đất”;

- Sét vạch “Đám mây - Đám mây”;

- Sét vạch bên trong đám mây (Đám mây);

Trong các dạng sét vạch thì sét vạch “Đám mây - Đất” thường hay gặp nhất.

Các đặc điểm cơ bản của sét:

-Trị số điện tích mang. -Dịng điện trong kênh sét.

-Số sét lặp lại trong một kênh sét. -Cường độ hoạt động của dông sét.

b, Phân loại hệ thống chống sét

- Hệ thống chống sét trực tiếp - Hệ thống chống setd gián tiếp.

2.2.2. Thiết bị hệ thống chống sét a, Chống sét đánh thẳng.

Cấu hình của loại này gồm có 3 phần:

- Các đầu kim thụ sét:

Thường làm bằng thép mạ đồng, đồng thau đúc bằng inox. Lựa chọn chiều dài của kim còn phụ thuộc vào cấu trúc của cơng trình cần được bảo vệ.

- Dây dẫn sét:

Dùng dẫn dòng sét từ các đầu kim thu đến hệ thống tiếp đất. Thường làm bằng đồng lá hoặc cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế ( NFC 17 102 của Pháp ) từ 50mm2 đến 75mm2.

- Hệ thống tiếp đất:

Dùng để tản dòng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm:

- Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét. Đường kính ngồi thường là 14-16mm. Được chôn thẳng đứng và cách mặt đất từ 0.5 đến 1 mét. Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét.

Dây tiếp đất: thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75mm2 dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau. Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét.

- Ốc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt CADWELD: dùng để liên kết và các cọc tiếp đất với nhau.

* Chống sét đánh thẳng bằng cơng nghệ tiêu tán đám mây điện tích khơng cho hình thành tia tiên đạo sét (dissipation array system).

73

Công nghệ này hiện nay ở Viêt Nam rất ít sử dụng vì giá thành cao,chỉ được ứng dụng vào một số cơng trình cần thiết.

Các hãng sản xuất như: LEC – USA, LIGHTING PREVECTION SYSTEM _ USA.

Cấu hình của loại này gồm có 3 phần:

- Các đầu phát ion dương: Thường làm bằng thép mạ đồng hoặc bằng inox. Các đầu phát ion dương có dạng quả cầu nhiều gai. Dạng cái dù nhiều gai, hoặc dạng cánh dơi nhiều gai

- Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dòng ion dương từ mặt đất đi lên các thiết bị phát ion dương. Thường làm bằng cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế ( nfc 17 102 của Pháp ) từ 50mm2 đến 75mm2.

- Hệ thống tiếp đất: Dùng để tản dịng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm:

+ Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét. Đường kính ngồi thường 14– 16mm. Được chôn thẳng đứng và cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét. Yêu cầu dây cáp tiếp đất này phải được nối thành một mạch vịng kín trước khi nối với dây dẫn sét.

+ Ốc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt cadweld: dùng để liên kết dây tiếp đất và các cọc tiếp đất với nhau.

* Chống sét đánh thẳng bằng công nghệ phát tia tiên đạo sớm ( Early Streamer Emission ).

Các hãng sản xuất: INDELEC – PHÁP, SATELIT – PHÁP, HELITA – PHÁP, POUYET – PHÁP, PARATONNRRES – PHÁP, ERICO – ÚC. INGESCO – TÂY BAN NHA.

Cấu hình của loại này gồm có 3 phần:

- Đầu thu lôi: Dùng để phát tia tiên đạo đi lên thu hút sét về nó. Đầu thu lơi

được gắn trên trụ đỡ có độ cao trung bình là 5 mét so với đỉnh của cơng trình cần được bảo vệ.

- Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dòng sét đầu thu lôi đến hệ thống tiếp đất. Thường làm bằng đồng lá hoặc cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chuẩn quốc tế (nfc 17 102 của pháp ) từ 50mm2 đến 75mm2.

- Hệ thống tiếp đất: Dùng để tản dòng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ

thống tiếp đất này gồm:

+ Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2.4 mét đến 3 mét. Đường kính ngồi thường là 14 – 16mm. Được chơn thẳng đứng và cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét. Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét.

+ Dây tiếp đất: thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75mm2 dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau. Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét.

+ Ốc siết cáp hoặc nối hàn hoá nhiệt cadweld: dùng để liên kết dây tiếp đất và các cọc tiếp đất với nhau.

74

*. Chống sét lan truyền cho trạm biến áp 1000 V (1kV):

- Dùng chống sét Van là ( Lightning Arrester ) lắp tại đầu đường dây vào trạm biến áp để cắt xung điện sét xuống đất.

+ Dùng chống sét van sơ ( gọi là thiết bị cắt sét nguồn 3 pha hoặc 1 pha ), lắp song song với nguồn điện để cắt giảm xung điện sét lớn xuống đất. Cấu hình của loại này gồm có 3 phần:

Van cắt sét: Dùng để cắt xả xung điện sét lan truyền trên lưới hạ thế xuống đất, trước khi nó có thể theo nguồn điện đi vào phụ tải.

Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dòng sét từ điểm nút mạng đến van cắt sét và từ van cắt sét đến hệ thống tiếp đất.

Hệ thốn tiếp đất: Dùng để tản dòng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm:

Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét. Đường kính ngồi thường là 14 – 16mm. Được chôn thẳng đứng và cách mặt đất từ 0.5 đến 1 mét.

Ốc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt CADWELD: dùng để liên kết dây tiếp đất và các cọc tiếp đất với nhau.

Cấu tạo của van cắt sét: Van cắt sét được chế tạo từ ô xýt kim loại ( metal oxide varristor – mov ) thường là ô xýt kẽm. Đặc điểm của loại vật liệu này là chì có thể dẫn điện ở điện áp cao và sẽ trở thành vật cách điện ở điện áp thấp, điện càng cao thì dịng điện thơng mạch càng lớn và điện áp càng giảm thì dịng thông mạch càng giảm về zê rơ ( cịn gọi là khối điện trở phi tuyến )

Nguyên lý làm việc của van cắt sét: Khi sét đánh trực tiếp vào đường dây hạ thế 3 pha 220/380vac – 50hz, hoặc sét đánh vào vùng lân cận rồi cảm ứng vào đường dây hạ thế rồi lan truyền vào van cắt sét trước khi nó đến phụ tải (các thiết bị dùng điện). Xung điện sét này có biên độ điện áp lớn làm cho điện trở phi tuyến của van cắt sét ngưỡng dẫn, lúc này nó sẽ mở mạch để độ điện áp lớn làm cho điện trở phi tuyến của van cắt sét ngưỡng dẫn, lúc này nó sẽ mở mạch cho dịng điện sét đi qua nó xuống đất. Khi xung điện sét giảm thấp đến dưới giá trị điện áp ngưỡng của van cắt dét thì điện trở phi tuyến của van cắt sét sẽ tan nhanh để ngắt dòng cắt xung sét.

- Dùng thiết bị cắt lọc sét (thường là lắp nối tiếp với phụ tải) để vừa cắt xung điện sét, vừa lọc được các loại sóng hài, các nhiễu tần số cao của sét.

+ Cấu hình: loại này gồm có 3 phần:

 Thiết bị lọc sét: Dùng để cắt xả xung điện sét lan truyền trên lưới hạ thế xuống đất và lọc các sóng hài các nhiễu tần số cao trước khi chúng có thể theo nguồn điện đi vào phụ tải.

 Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dòng sét từ thiết bị cắt lọc sét sét đến hệ thống tiếp đất.

 Hệ thống tiếp đất: dùng để tản dịng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm:

Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét. Đường kính ngồi thường là 14 – 16mm. Được chơn thẳng đứng và cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét. Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét.

75

Dây tiếp đất: thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75mm2 dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau . Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0.5 đến 1 mét.

Ốc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt cadweld: dùng để liên kết dây tiếp đất với nhau.

+ Cấu tạo của thiết bị cắt lọc sét thường bao gồm:

 Van cắt sét sơ cấp ( nằm phía trước )

 Bộ lọc sóng hài và nhiễu ( nằm giữa)

 Van cắt sét thứ cấp ( nằm phía sau)

Van cắt sét sơ cấp và thứ cấp được chế tạo từ ô xýt kim loại ( metal oxide varristor – mov ) thường là ô xýt kẽm. Đặc điểm của loại vật liệu này là chỉ có thể dẫn điện ở điện cáp cao và sẽ trở thành vật cách điện ở điện áp thấp, điện áp càng cao thì dịng điện thơng mạch càng lớn và điện áp càng giảm thì dịng thơng mạch càng giảm về zê rơ ( cịn gọi là khối điện trở phi tuyến ).

Bộ lọc sóng hài được cấu tạo từ cuộn kháng điện I và các tụ lọc, cuộn khán I được lắp nối tiếp với mạch điện cịn tụ lọc thì lắp song song với mạch điện ( nằm phí sau cuộn kháng điện I).

+ Nguyên lý làm việc của thiết bị cắt lọc sét:

Khi đánh sét trực tiếp vào đường dây điện hạ thế 3 pha 220/380 – 50 hz, hoặc sét đánh vào vùng lân cận rồi cảm ứng vào đường dây hạ thế rồi lan truyền vào thiết bị cắt lọc sét trước khi nó đến phụ tải ( Các thiết bị dùng điện ). Xung điện sét cịn sót với biên độ thấp khi ra khỏi bộ lọc I – c thì sẽ bị van cắt sét thứ cấp cắt thêm một lần nữa. Khi xung điện sét giảm thấp đến dưới giá trị điện áp ngưỡng của van cắt thì điện trở phi tuyến của van cắt sét sẽ tăng nhanh để ngắt dòng cắt xung sét.

* Chống sét lan truyền cho lưới điện hạ thế 3 pha 220/380V – 50/60hz:

- Dùng chống sét Van sơ cấp: (gọi là thiết bị cắt sét nguồn 3 pha hoặc 1 pha),

lắp song song với nguồn điện để cắt giảm xung điện sét lớn xuống đất.

Ưu điểm:

+ Khơng chỉ giới hạn dịng tải nên cùng lúc có thể bảo vệ được nhiều thiết bị dùng điện.

+ Vì vậy chỉ là thiết bị cắt sét sơ cấp nên thường giá thành thấp.

Nhược điểm:

+ Chỉ cắt hầu hết các xung lớn mà không lọc được các thành phần tần số cao của sét, như các sóng hài, các loại nhiễu…

Các hãng có thể đáp ứng tốt như : TPS –Úc, OBO – Đức, MCG – USA, ERICO – Úc, TERCEL – Úc.

+ Dùng thiết bị cắt lọc sét ( thường là lắp nối tiếp với phụ tải ) để vừa cắt xung điện sét, vừa lọc được các loại sóng hài của sét.

Ưu điểm:

+ Bảo vệ đa cấp cho phụ tải (gồm cắt sét sơ cấp, lọc, cắt sét thứ cấp ), do đó độ an tồn cao.

76

Nhược điểm:

+ Vì được chế tao bảo vệ đa cấp nên giá thành cao.

+ Vì lắp nối tiếp nên bị giới hạn với một dòng điện nhất định.

+ Các hãng đáp ứng tốt như: TPS – Úc, OBO – Đức, ERICO – Úc, YERCEL – Úc.

*. Chống sét lan truyền cho đường dây thông tin:

- Chống sét lan truyền cho đường dây điện thoại lắp đặt trên phiến Krone 10 đôi dây: tuỳ theo mức điện áp tín hiệu, tần số làm việc, tốc độ đường truyền sẽ lựa chọn các thiết bị bảo vệ khác nhau. Các hãng có thể đáp ứng như : TPS – Úc, ERICO – Úc, TERCEL – Úc.

- Chống lan truyền trên đường dây nối mạng máy tính cáp RJ45: có nhiều hãng để lựa chọn như APC – USA, ATLENTIC – USA, ERICO – Úc, TPS – Úc.

- Chống sét lan truyền trên đường dây cáp đồng trục 75W: có nhiều hãng để lựa chọn như: ERICO – Úc, TPS – Úc, OBO –Đức.

2.2.3. Tính tốn chống sét

Bán kính bảo vệ kim thu sét:

Kim thu sét cùng dây dẫn sét, cọc tiếp địa,… tạo thành hệ thống chống sét hoàn chỉnh với cơ chế tập trung năng lượng từ tia sét đánh, dẫn truyền tới các bộ phận khác trong hệ thống và truyền xuống mặt đất một cách an toàn.

77

Bán kính bảo vệ kim thu sét được hiểu là phạm vi mà trong đó kim có khả năng hoạt động hiệu quả. Đa phần, mỗi sản phẩm kim thu sét sẽ có 4 cấp độ bảo vệ với chiều cao lắp đặt chuẩn là 5 - 6m. Nếu ở bán kính tiêu chuẩn cấp 1, khả năng bảo vệ