1. Bảo vệ chống sét 1.1. Hiện tượng sét
Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa đám mây mang điện tích với mặt đất hoặc giữa đám mây mang điện tích trái dấu nhau.
Điện áp giữa những đám mây và đất có thể lên đến trị số hàng chục, hàng trăm triệu volt.
Khoảng cách phóng điện tức độ dài của tia chớp mà ta có thể nhìn thấy trong phạm vi một đến hàng chục kilomet.
1.2. Hậu quả của phóng điện sét
a. Sét đánh trực tiếp
Gây tử vong cho người, vật.
Dịng sét gây nhiệt độ lớn khi phóng vào các vật cháy được như mái nhà, gỗ khô,... tạo nên đám cháy lớn.
Sét có thể phá hủy về mặt cơ học. b. Sét cảm ứng
Nếu các cơng trình nối liền với các vật dẫn điện kéo dài như đường dây điện, dây điện thoại, đường ray, ống nước,... Những vật đó có thể mang điện thế cao khi có sét đánh trúng gây nguy hiểm cho người, vật.
Khi có sét đánh gần đó hình thành cảm ứng điện từ trên đường dây với điện áp có thể lên đến hàng chục kilovolt và rất nguy hiểm.
1.3. Bảo vệ chống sét trực tiếp
a. Bảo vệ chống sét theo nguyên tắc trọng điểm
Chỉ bảo vệ những bộ phận thường hay có nguy cơ bị sét đánh
Đối với cơng trình mái bằng, trọng điểm bảo vệ là 4 góc, xung quanh tường chắn mái và các kết cấu nhô cao lên khỏi mặt mái.
Đối với cơng trình mái dốc, trọng điểm là các đỉnh hồi, bờ nóc, bờ chảy, các góc diềm mái và các kết cấu nhô cao lên khỏi mặt mái.
b. Bảo vệ chống sét theo nguyên tắc tồn diện
Trang | 138
• Thu bắt sét tại điểm định trước
• Dẫn sét xuống đất an tồn
• Tản nhanh năng lượng sét xuống đất
• Đẳng thế các hệ thống nối đất
• Chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn
• Chống sét lan truyền trên đường tín hiệu Phân loại cơng trình cần bảo vệ
Theo tiêu chuẩn chống sét cho cơng trình xây dựng 20TCVN46-84, cơng trình cần bảo vệ được chia làm ba cấp:
• Cấp I là các cơng trình, trong đó có tỏa ra chất khí hay hơi cháy, cũng như các bụi hay sợi cháy, dễ dàng chuyển sang trạng thái lơ lửng và có khả năng kết hợp với khơng khí hay các chất oxy hóa khác tạo thành hỗn hợp nổ, có thể xảy ra trong điều kiện làm việc bình thường. Khi xảy ra nổ sẽ gây ra phá hoại lớn, làm chết người.
• Cấp II là các cơng trình, trong đó có tỏa ra chất khí hay hơi cháy, cũng như các bụi hay sợi cháy, dễ dàng chuyển sang trạng thái lơ lửng và có khả năng kết hợp với khơng khí hay các chất oxy hóa khác tạo thành hỗn hợp nổ. Nhưng khả năng chỉ xảy ra khi có sự cố hoặc làm sai quy tắc. Khi xảy ra nổ chỉ gây ra các hư hỏng nhỏ, khơnglàm chết người.
• Cấp III là các cơng trình cịn lại. Tuy nhiên, một số cơng trình cấp III có tầm quan trọng về chính trị, kinh tế và nguy hiểm cho người thì được phép nâng lên Cấp II. 2. Phương pháp chống sét 2.1. Chống sét bằng cột thu sét a. Các thành phần của cột thu sét: • Kim thu sét • Dây dẫn sét • Hệ thống nối đất b. Xác định phạm vi bảo vệ ❖ Trường hợp có 1 kim thu sét
Bán kính bảo vệ 𝑟𝑥 của kim được xác định theo biểu thức:
ℎ𝑥 ˂ 2 3ℎ → 𝑟𝑥 = 1,5ℎ (1 − ℎ𝑥 0,8ℎ) 𝑝 (9.1) ℎ𝑥 ˃2 3ℎ → 𝑟𝑥 = 0,75ℎ (1 −ℎ𝑥 ℎ) 𝑝 (9.2) Trong đó:
Trang | 139
h: chiều cao của kim thu sét (m).
ℎ𝑥: chiều cao của cơng trình (m).
p: hệ số hiệu chỉnh theo chiều cao của kim thu sét p=1 khi h ≤ 30m và p= 5.5
√ℎ khi 30m ˂ h ˂ 60m Số lượng kim thu sét:
n = l
a+ 1 (9.3)
Với l: chiều dài của cơng trình(m)
Hình 9.1 Phạm vi bảo vệ kim thu sét
❖ Trường hợp có 2 kim thu sét
• Trường hợp có 2 kim thu sét cùng chiều cao:
2𝑏𝑥 = 4𝑟𝑥 7ℎ𝑎−𝑎
14ℎ𝑎−𝑎 (9.4)
Trong đó:
𝑟𝑥 : Bán kính bảo vệ (m)
𝑏𝑥: bề ngang hẹp nhất của phạm vi bảo vệ ở độ cao ℎ𝑥 (m).
𝑎: khoảng cách giữa 2 cột thu sét (m). ℎ: chiều cao của kim thu sét (m).
ℎ𝑥: chiều cao của cơng trình cần được bảo vệ (m).
Trang | 140
Hình 9.2 Phạm vi bảo vệ hai cột của kim thu sét
Chiều cao cột giả tưởng ℎ𝑜 nằm giữa khoảng cách 2 cột thu lôi, điều kiện bảo vệ chống sét trọng điểm là ℎ𝑜˃ ℎ𝑥
ℎ𝑜 = ℎ − 𝑎
7𝑝 (9.5)
Bán kính bảo vệ kim thu sét giả tưởng:
𝑟𝑜 = 1,6ℎ𝑜(ℎ𝑜−ℎ𝑥
ℎ𝑜+ℎ𝑥) (9.6)
❖ Trường hợp hai kim có chiều cao khác nhau
Đầu tiên dựng phạm vi bảo vệ của cột thu sét cao hơn, sau đó là cột thu sét thứ hai. Tiếp theo từ đỉnh cột thứ hai kẻ một đường thẳng nằm ngang cắt phạm vi bảo vệ cột thứ nhất tại một điểm, điểm này so với mặt đất có cùng chiều cao so với cột thứ hai và xem đây là cột giả tưởng. Thực hiện xác định phạm vi bảo vệ giữa cột thứ hai và cột giả tưởng như trường hợp hai cột có chiều cao bằng nhau.
Khoảng cách 𝑎1 giữa cột thấp hơn ℎ1 và cột giả tưởng ℎ′𝑥:
𝑎1 = 𝑎 − ΔL (9.7)
Khoảng cách giữa cột cao hơn ℎ2 và cột giả tưởng ℎ′𝑥 là ΔL được xác định: Khi ℎ1 ≤ 2 3ℎ2 → ΔL = 1.5ℎ1(1 −ℎ2 ℎ1) (9.8) Khi ℎ1 ≥ 2 3ℎ2 → ΔL = 0.75ℎ1(1 −ℎ2 ℎ1) (9.9)
Trang | 141
Hình 9.3 Phạm vi bảo vệ của hai cột có chiều cao khác nhau
❖ Trường hợp có nhiều kim thu sét
Vùng bảo vệ của 3 cột thu sét không nằm trên 1 đường thẳng và 4 cột thu sét đặt ở 4 góc của hình chữ nhật phạm vi bảo vệ đều được xác định giữa từng đôi cột với nhau.
Tất cả các thiết bị có độ cao lớn nhất ℎ𝑥 đặt trong diện tích được bảo vệ an toàn nếu điều kiện thỏa mãn:
𝐷 ≤ 8(ℎ − ℎ𝑥)𝑝 (9.10)
Trong đó:
ℎ𝑎 = ℎ − ℎ𝑥: độ cao hiệu dụng của cột thu sét.
Với p=1 khi h ≤ 30m và p= 5.5 √ℎ khi 30m ˂ h ˂ 60m Nhóm cột tam giác có ba cạnh là a, b, c : 𝐷 = 2𝑅 = 𝑎𝑏𝑐 2√𝑝(𝑝−𝑎)(𝑝−𝑏)(𝑝−𝑐) (9.11) Với 𝑝 =𝑎+𝑏+𝑐 2 Nhóm cột tạo thành hình chữ nhật: 𝐷 = √𝑎2+ 𝑏2 (9.12)
Trang | 142
Hình 9.4 Phạm vi bảo vệ nhiều cột sét có cùng độ cao
2.2. Kim thu sét có tia tiên đạo
Bán kính phạm vi bảo vệ được tính theo NFC 17-102:
𝑅𝑝 = √ℎ(2𝐷 − ℎ) + 𝛥𝐿(2𝐷 + 𝛥𝐿) (9.13) Trong đó:
Rp: bán kính bảo vệ mặt phẳng ngang tính từ chân đặt kim so với mặt phẳng được bảo vệ (m).
h: chiều cao đầu thu sét ở trên bề mặt được bảo vệ (m). D: khoảng cách phóng điện (m).
D= 20m với cấp bảo vệ cao nhất. D= 45m với cấp bảo vệ trung bình. D= 60m với cấp bảo vệ tiêu chuẩn.
𝝙L: độ lợi khoảng cách (m).
𝛥𝐿 = 𝑉. ΔT (9.14)
Trong đó:
V: tốc độ phát tia tiên đạo đi lên
𝝙T: khoảng thời gian phóng tia tiên đạo
Trang | 143
Dây chống sét dùng để bảo vệ cho đường dây tải điện trên không. Tùy theo dây dẫn trên cột có thể treo một hoặc hai dây chống sét sao cho các dây dẫn điện đều nằm trong phạm vi bảo vệ.
❖ Phạm vi bảo vệ dây chống sét được xác định thông qua các biểu thức sau:
ℎ𝑥 ˂ 2 3ℎ→ 𝑏𝑥 = 1.2ℎ(1 − ℎ𝑥 0.8ℎ)𝑝 (9.15) ℎ𝑥 ˃2 3ℎ→ 𝑏𝑥 = 0.6ℎ(1 −ℎ𝑥 ℎ)𝑝 (9.16) Trong đó:
h: chiều cao dây thu sét (m) hx: chiều cao dây tải điện (m)
p: hế số hiệu chỉnh theo chiều cao dây thu sét
(p= 1 khi h ≤ 30m và p=5.5/√ℎ khi 30m ˂ h ˂ 100m). ❖ Phạm vi bảo vệ của hai dây chống sét
Giới hạn phạm vi bảo vệ phía ngồi của hai dây chống sét giống nhau như một dây chống sét riêng lẽ.
Gọi S là khoảng cách giữa hai dây thu sét thì mọi điểm trên mặt đất nằm giữa hai dây này sẽ được bảo vệ an tồn. Nếu S≤ 4h thì có thể bảo vệ các điẻm giữa hai dây có chiều cao lên tới ho
ℎ𝑜 = ℎ −𝑆
4 (9.17)
Trang | 144
V. Dây dẫn sét
Dây dẫn sét có nhiệm vụ dẫn dịng sét đến hệ thống nối đất. Dây dẫn sét có 3 dạng chính là dẹp, trịn hay bện nhiều sợi. Tiết diện 𝑆 ≥ 50𝑚𝑚2. Tùy theo điều kiện mơi trường và cơng trình có các loại dây dẫn:
• Dây đồng trần điện phân mạ thiếc có tính dẫn tốt.
• Dây thép khơng gỉ dùng trong mơi trường có tính ăn mịn cao.
• Dây nhơm gắn trên bề mặt cơng trình bằng nhơm.
Đối với cơng trình có cấp bảo vệ chống sét 2, 3 có thể dùng cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép của cơng trình, các vỏ bọc kim loại bên ngồi cơng trình, các ống kim loại...
Để tránh các vùng nhạy cảm của cơng trình người ta có thể dùng một dây dẫn sét có vỏ bọc cách điện(dây Erico).
3. Chống sét lan truyền 3.1. Sơ lược về sét lan truyền
Sét lan truyền được hình thành khi một luồng sét đánh xuống mặt đất hay vị trí tịa nhà, cơng trình nào đó, nó sẽ cảm ứng điện từ lên các đường dây dây điện gần đó. Dịng sét lan truyền đánh vào các đường dây tín hiệu nguồn như dây điện, dây điện thoại,… rồi theo hệ thống dây dẫn lan truyền tới các thiết bị điện. Sét lan truyền gây nên hiện tượng gia tăng đột biến của sóng điện từ hoặc xung điện áp, ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị điện, điện tử, mạng máy tính,… Nguyên nhân của hiện tượng này có thể kể đến như: cơng trình nằm gần vị trí bị sét đánh, đường dây dẫn điện trong khu vực bị hư hỏng, xung điện áp sinh ta trong chính các thiết bị một cách đột ngột do bật tắt các tải điện như máy photocopy, hệ thống nhiệt, motor,…
Các dạng lan truyền của sét ❖ Dạng đồng pha
Xung điện áp xảy ra giữa mạng điện và đất: pha/đất hoặc trung trính/đất. Xung này đặc biệt nguy hiểm đối với những thiết bị có khung được nối đất dẫn đến nguy cơ chọc thủng cách điện.
❖ Dạng lệch pha
Xung điện áp dạng so lệch chạy giữa các dây dẫn điện: pha/pha, pha/trung tính. Chúng đặc biệt nguy hiểm đối với thiết bị điện tử, máy tính có độ nhạy cảm cao.
Trang | 145
1. Hệ thống chống sét lan truyền bao gồm:
• Thiết bị chống sét lan truyền trên đường nguồn: thiết bị cắt sét 1 pha, thiết bị cắt lọc sét 1 pha, thiết bị cắt sét 3 pha và thiết bị cắt lọc sét 3 pha.
• Cáp thốt sét.
• Thiết bị đếm sét.
• Hộp kiểm tra điện trở tiếp đất.
• Hệ thống tiếp địa chống sét lan truyền.
• Thiết bị cắt sét, cắt lọc sét đường nguồn điện AC
• Thiết bị chống sét cho tín hiệu đường tín hiệu viễn thơng, cho đường tín hiệu điều khiển cơng nghiệp, cho mạng máy tính, cho đường truyền điện thoại, cho đường truyền tốc độ cao, trên đường cáp feeder, cáp đồng trục.
• Cơng tắc báo động.
• Hệ thống tiếp địa chống sét lan truyền gồm các hệ thống cọc tiếp địa được đóng sâu xuống đất và đấu nối với nhau.Chống sét lan truyền trên đường nguồn
Phân loại cơng trình để lựa chọn SPD
Phụ thuộc vào kích thước tịa nhà và phạm vi của hệ thống điện, phải sử dụng một hoặc nhiều loại SPD ở các tủ điện khác nhau trong mạng điện.
Cơng trình loại 1( Dịng 𝐼𝑖𝑚𝑝 = 100𝐾𝐴): Các nhà máy sản xuất lớn, các tòa
nhà quan trọng như bệnh viện, ngân hàng, nhà máy điện,...
Cơng trình loại 2( Dịng 𝐼𝑖𝑚𝑝 = 75𝐾𝐴): Nơi được kết nối bằng cáp ngầm,
nhà máy, văn phịng, siêu thị, nhà thờ.
Cơng trình loại 3,4( Dịng 𝐼𝑖𝑚𝑝 = 50𝐾𝐴):
• Loại 3: Chung cư, văn phịng loại nhỏ, hộ gia đình, kiến trúc nơng nghiệp.
• Loại 4: Cơng trình và đại sảnh ít người xuất hiện hoặc thiết bị. Các cấp của thiết bị chống sét lan truyền
❖ Thiết bị chống sét lan truyền cấp 1 (Type 1 SPD)
Thiết bị chống sét lan truyền cấp 1 còn gọi là thiết bị cắt sét sơ cấp. Thường được đặc trưng bởi dịng điện dạng sóng 10/350 µs. Thiết bị được lắp đặt ở vị trí có nguy cơ bị sét đánh trực tiếp cao, ví dụ như: Các cơng trình, nhà xưởng có hệ thống chống sét bằng cột thu lơiLồng Faraday,…
Type 1 SPD có thể xả dịng ngược do sét lan truyền dội ngược từ dây dẫn đất đến dây dẫn của lưới điện.
Trang | 146
Hình 9.6 Sơ đồ hệ thống chống sét
❖ Thiết bị chống sét lan truyền cấp 2 (Type 2 SPD)
Thiết bị chống sét lan truyền cấp 2 là thiết bị cắt sét thứ cấp. Thường được đặc trưng bởi dịng điện sóng 8/20 µs. Thiết bị bảo vệ các thiết bị điện hoạt động điện áp thấp và bảo vệ các tải. Được gắn tại ngõ vào của hệ thống điện hạ áp. Những nơi gần các thiết bị điện nhạy cảm, trong tủ phân phối chính mà cơng trình khơng lắp hệ thống chống sét có cột thu lôi.
Hình 9.7 SPD loại 2 được đặc trưng bởi dạng sóng 8/20 µs
❖ Thiết bị chống sét lan truyền cấp 3 (Type 3 SPD)
Thiết bị chống sét lan truyền cấp 3 có khả năng giải phóng điện thấp. Nó được đặc trưng bởi sóng điện áp 1.2/50 µs kết hợp sóng điện dịng 8/20 µs. Thiết bị này thường được sử dụng bổ sung cho SPD type 2 hoặc gần các tải nhạy cảm. Thiết bị này thường dùng bảo vệ các thiết bị điện tử như điện thoại, camera, tivi,…
Trang | 147
Hình 9.8 SPD loại 3 được đặc trưng bởi dạng sóng 8/20 µs
2. Những đặc điểm của các loại SPD
𝑈𝑐: điện áp hoạt động của SPD( AC hoặc DC) được chọn theo điện áp định mứ của lưới điện hoặc tùy vào cách nối đất của hẹ thống.
𝑈𝑝: điện áp tối đa trên các cực SPD đạt được khi dòng chạy qua SPD bằng
𝐼𝑛, mức bảo vệ này phải nhỏ hơn khả năng chịu quá áp của phụ tải.
𝐼𝑛: dịng phóng danh định, là giá trị đỉnh của dạng sóng 8/20 mà SPD có thể xả tối thiểu 19 lần.
𝐼𝑛 tương ứng với dịng phóng danh định mà SPD có thể chịu được tối thiểu 19 lần, nếu 𝐼𝑛 càng cao thì càng đảm bảo tuổi thọ cho SPD.
3. Lựa chọn thiết bị chống sét lan truyền ❖ Thiết bị cắt sét
a. Sơ lược về thiết bị cắt sét
Thiết bị cắt sét được mắc song song với nguồn, bảo vệ bằng cách kẹp dòng điên áp tăng vọt trên nguồn điện và chuyển hầu hết năng lượng sét xuống đất. Nó có thể đảm bảo an tồn cho hệ thống máy móc, thiết bị khơng q nhạy cảm với điện áp nhưng không thể bảo vệ các thiết bị nhạy cảm như máy tính, các thiết bị điện tử,...
Vì là kiểu mắc song song nên điện áp cho qua chiệu ảnh hưởng bời chiều dài dây kết nối
b. Điều kiện lựa chọn
Dòng xung sét cực đại với dạng sóng sét chuẩn 8/20𝜇𝑠:
Trang | 148
Trong đó:
𝐼𝑠𝑑𝑚: biên độ xung sét cực đại mà thiết bị cắt sét có thể chịu được(kA)
𝐼𝑠𝑚𝑎𝑥: biên độ xung sét cực đại ghi nhận được tại nơi đặt thiết bị (kA) Tại Việt Nam 𝐼𝑠𝑚𝑎𝑥 = 90.7𝑘𝐴
Điện áp làm việc cực đại
𝑈𝑑𝑚˃𝑈𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥
Với 𝑈𝑑𝑚 là điện áp vận hành đinh mức của thiết bị (V), 𝑈𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥 là điện áp làm việc cựa đại (V)
❖ Thiết bị lọc sét
a. Sơ lược thiết bị lọc sét
Thiết bị lọc sét có 3 giai đoạn bảo vệ:
• Giai đoạn 1: chuyển năng lượng của dịng xung sét xuống đất và kẹp điện áp tăng
• Giai đoạn 2: bộ lọc chậm làm suy giảm điện áp tăng vọt, cân bằng năng lượng dòng sét giữa các đường dây và đường phụ tải của thiết bị cắt sét
• Giai đoạn 3: là giai đoạn kẹp điện áp cuối cùng và bảo vệ chống sự