CHỐNG SÉT VÀ NỐI ĐẤT
8.1. Chống sét:
8.1.1. Khái niệm:
Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây với đất, hay giữa các đám mây mang điện khác dấu với nhau.
Sự phóng điện của sét được chia làm ba giai đoạn:
Giai đoạn phóng điện tiên đạo từng bậc: Phóng điện giữa mây và đất bắt đấu bằng sự xuất hiện một dòng sáng phát triển xuống đất, chuyển động từng đợt với tốc độ 100 1000 km/s.
Giai đoạn phóng điện chủ yếu: Trong giai đoạn này, các điện tích dương của đất di chuyển có hướng từ đất theo dòng tiên đạo với tốc độ ( 6.104 105 km/s ) chạy lên và trung hoà các điện tích âm của dòng tiên đạo. Giai đoạn này dòng phóng điện rất lớn và xuất hiện loé sáng mãnh liệt, không khí xung quanh bị đốt nóng lên khoảng 10000oC .
Giai đoạn cuối: Sét sẽ kết thúc sự di chuyển các điện tích của mây và xuất hiện phóng điện, sự loé sáng dần dần biến mất.
8.1.2. Tác hại do sét gây ra:
Sét đánh sẽ gây ra điện áp cao và có dòng lớn làm nguy hại đến tính mạng con người và súc vật. Đôi khi sét không phóng điện trực tiếp cũng gây nguy hiểm, lý do nó gây ra sự trên lệch điện thế khá cao tại những vùng đất gần đó, nếu người và súc vật ở trong khu vực này thì cũng có thể nguy hiểm.
Dòng sét gây ra nhiệt độ rất lớn, do đó khi sét phóng vào các vật cháy được như mái nhà tranh, gỗ khô, nó có thể gây ra hoả hoạn. Sét còn gây tác hại về mặt cơ học như phá huỷ công trình, các tháp cao, cây cối bị nổ tung ...
Đối với các công trình nối liền với vật dẫn kéo dài như đường dây điện, dây điện thoại, đường ray ... Khi bị sét đánh những vật dẫn ấy có thể gây nguy hiểm cho người đang vận hành và gây cháy nổ, hư hỏng cho các thiết bị.
Vì các hậu quả do sét gây ra rất nguy hiểm, do đó việc bảo vệ chống sét cần được quan tâm và giải quyết thích hợp đối với các công trình cũng như trong đời sống hằng ngày.
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
8.1.3. Bảo vệ sét đánh trực tiếp:
Các nguyên tắc bảo vệ chống sét:
a. Bảo vệ chống sét theo nguyên tắc trọng điểm:
Theo phương thức bảo vệ trọng điểm, chỉ những bộ phận thường hay bị sét đánh mới được bảo vệ như xung quanh tường chắn mái nhà, bờ nóc, các góc diềm mái, các kết cấu nhô cao lên trên của công trình
b. Bảo vệ chống sét theo nguyên tắc toàn bộ:
Phương thức bảo vệ toàn bộ là toàn bộ công trình cần được bảo đều phải nằm trong phạm vi bảo vệ của bộ phận thu sét.
8.1.4. Kỹ thuật chống sét mới xuất hiện trên thế giới:
Những nguyên tắc cơ bản của hệ thống bảo vệ chống sét do nhà khoa học Benjamin Franklin khám phá từ năm 1750. Qua nhiều thập kỷ đã có sự phát triển trong lĩnh vực chống sét với nhiều loại đầu thu đặt trong không trung nhưng chủ yếu gồm hai loại chính:
Theo tập quán kinh điển: Dạng đầu thu này thông thường đặt trên cơ sở những phát minh của Franklin.
Không theo tập quán kinh điển (loại được tăng cường): Những đầu thu mang tính cực hơn, bản thân những đầu thu này phát ra những dải sớm hơn (dòng tiên đạo).
Do yêu cầu ngày càng cao trong việc bảo vệ an toàn cho tính mạng con người và các thiết bị khi có sét đánh. Các nhà khoa học đã nghiên cứu ra một phương pháp mới dựa trên cơ sở những thành tựu nghiên cứu của tiến sĩ A.J.
Erikson, đó là phương pháp theo “ thể tích tập hợp”.
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc khi có dấu hiệu sét đánh thì nó sẽ phóng một dòng dẫn đưa lên phía trên để đón bắt sét một cách hiệu quả, phương pháp này giúp ta chủ động hơn trong việc đón bắt dòng sét tiên đạo.
Những thông số thiết kế được sử dụng ở phương pháp “thể tích tập hợp” bao gồm: Chiều cao cấu trúc công trình, điện tích dòng tiên đạo, chiều cao địa điểm và vận tốc lan truyền tương đối của dòng sét tiên đạo.
So sánh giữa đầu thu bắt đặt trong không trung theo kỹ thuật mới và đầu thu theo tập quán kiểu Franklin:
Bảng 1-6: So sánh giữa hai phương pháp chống sét tiêu biểu.
Phương pháp thể tích tập hợp Phương pháp Franklin Đầu thu đón bắt sét theo kỹ thuật mới Đặt trên cơ sở thiết kế năm 1750 Cần ít đầu thu bắt sét (thường chỉ cần Cần nhiều đầu thu bắt sét
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
một đầu thu)
Dễ lắp đặt và dễ dàng trong công tác duy trì bảo quản
Khó khăn và tốn nhiều thời gian để lắp đặt trang thiết bị
Hình dáng bên ngoài không hấp dẫn Hình dáng dễ chấp nhận Đạt hiệu quả cao và mức độ tin cậy cao
trong vận hành
Mức độ hiệu quả không rõ rệt và ít tin tưởng trong vận hành
Rẻ tiền hơn vì thông thường chỉ cần một đầu thu đã thỏa mãn
Khá đắt tiền do cần nhiều trang thiết bị
Chính sự ưu việt của sản phẩm này mà đã có một cuộc cách mạng trong hệ thống chống sét với nhiều sản phẩm mới ra đời như loại đầu thu đón bắt kiểu quả cầu Dyna,kiểu hình trụ Interceptor và đầu thu sét PREVECTRON 2 do hãng INDELEC (Pháp) chế tạo.
Sau đây là vài nét về thiết bị chống sét tiên đạo PREVECTRON 2:
- Cấu tạo của thiết bị chống sét PREVECTRON 2:
Kim thu sét trung tâm làm bằng đồng hoặc thép không rỉ, kim này có tác dụng tạo một đường dẫn dòng sét liên tục từ tia tiên đạo xuống đất theo dây dẫn sét.
Có năm loại đầu thu sét PREVECTRON 2
Bảng 1-7: Loại vật liệu của từng loại đầu kim thu sét.
Loại đầu kim Prevectron 2
Đường kính (mm)
Chiều cao
(mm) Loại đầu kim bằng
S 6.60 185 385 đồng
S 4.50 185 385 thép không rỉ (inox)
S 3.40 185 385 đồng
TS 3.40 100 330 thép không rỉ (inox)
TS 2.25 100 330 đồng
Hộp bảo vệ bằng đồng, hoặc thép không rỉ, có tác dụng bảo vệ thiết bị tạo ion bên trong, hộp này được gắn vào kim thu sét trung tâm.
Thiết bị tạo ion, giải phóng ion và phát tia tiên đạo: Nhờ thiết bị này mà đầu thu sét PREVECTRON 2 có thể tạo ra một vùng bảo vệ rộng lớn, an toàn cao.
Hệ thống các điện cực phía trên: Có tác dụng phát tia tiên đạo
Hệ thống các điện cực phía dưới: Có tác dụng thu năng lượng điện trường khí quyển, giúp các thiết bị chống sét hoạt động.
- Nguyên lý hoạt động của đầu thu sét Prevectron 2:
Nguyên lý hoạt động dựa vào sự thay đổi điện trường xung quanh cấu trúc cần được bảo vệ thông qua việc đầu thu sét Prevectron 2 sẽ thu năng lượng điện trường khí quyển bằng hệ thống điện cực phía dưới và được tích trữ trong thiết bị ion hóa. Khi điện trường gia tăng đột ngột sẽ tác động làm thiết bị ion hóa giải phóng năng lượng đã tích lũy dưới dạng ion, tạo ra một đường dẫn tiên đạo về phía trên và dẫn sét.
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
1. Kim thu sét trung tâm
2. Hệ thống các điện cực phía trên
3. Hộp bảo vệ bằng đồng và thiết bị tạo ion 4. Hệ thống các điện cực phía dưới
Hình 1-1: Cấu tạo của thiết bị chống sét tích cực Prevectron 2 (Indelec).
2 3
4 1
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
- Tính toán vùng bảo vệ:
Hình 1-2: Bán kính bảo vệ tòa nhà.
Bán kính bảo vệ Rp:
R = h 2D-hp L 2D+ L khi h 5 m (1-74) Trong đó:
D: Khoảng cách kích hoạt tùy theo mức độ bảo vệ mà D = 20m, 45m, 60m.
h: chiều cao thực của đầu kim.
L= 106. T (m)
T: Độ lợi về thời gian của từng loại đầu kim Prevectron.
Khi h < 5m tra bảng tìm được bán kính bảo vệ.
Thông số kỹ thuật dùng để tính Rp:
Bảng 1-8: Các thông số kỹ thuật để tính Rp Loại đầu
thu sét
Giá trị
T(às)
Mã số loại đồng
Mã số loại thép
Trọng lượng (kg)
S 6.60 60 1241 1242 4,2
S 4.50 50 1231 1232 4,0
S 3.40 40 1221 1222 3,8
TS 3.40 40 1211 1212 2,5
TS 2.25 25 1201 1202 2,3
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Cấp bảo vệ cao nhất: D = 20m
Bảng 1-9: Bảng tra Rp khi D = 20m
h (m) 2 3 4 5 6 7 8 10 15 20
S6.60 31 47 63 79 79 79 79 79 80 80
S4.50 27 41 55 68 69 69 69 69 70 70
S3.40 23 35 46 58 58 58 59 59 60 60
TS3.40 23 35 46 58 58 58 59 59 60 60
TS2.25 17 25 34 42 43 43 43 44 45 45
Cấp bảo vệ trung bình: D = 45m
Bảng 1-10: Bảng tra Rp khi D = 45m
h (m) 2 3 4 5 6 7 8 10 15 20
S6.60 39 58 78 97 97 98 99 101 102 105
S4.50 34 52 69 86 87 87 88 90 92 95
S3.40 30 45 60 75 76 77 77 80 81 85
TS3.40 30 45 60 75 76 77 77 80 81 85
TS2.25 23 34 46 57 58 59 61 63 65 70
Cấp bảo vệ tiêu chuẩn: D = 60m
Bảng 1-11: Bảng tra Rp khi D = 60m
h (m) 2 3 4 5 6 7 8 10 15 20
S6.60 43 64 85 107 107 108 109 113 119 120
S4.50 38 57 76 95 96 97 98 102 109 110
S3.40 33 50 67 84 84 85 87 92 99 100
TS3.40 33 50 67 84 84 85 87 92 99 100
TS2.25 26 39 52 65 66 67 69 75 84 85
8.2. Nối đất:
8.2.1. Khái niệm:
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Các thiết bị điện có lớp vỏ cách điện không tốt hay do vận hành trong thời gian dài với tác động của cơ nhiệt hoá học ... sẽ dẫn đến phá huỷ lớp cách điện. Khi vỏ cách điện bị phá huỷ sẽ là cho dòng điện chạm ra vỏ thiết bị có thể dẫn tới tai nạn điện giật cho người. Tại nạn điện giật còn có thể do người vận hành không theo nguyên tắc an toàn. Do đó trong hệ thống điện cần phải có biện pháp an toàn chống điện giật.
Một trong những biện pháp an toàn có hiệu quả và đơn giản là thực hiện việc nối đất bảo vệ.
Khi có trang bị nối đất, dòng điện ngắn mạch xuất hiện do cách điện bị hư sẽ chạy qua vỏ thiết bị, theo dây dẫn nối đất xuống các điện cực và tản vào đất.
8.2.2. Các phương pháp nối đất:
Có hai loại thực hiện nối đất: Nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo.
Nối đất tự nhiên: là sử dụng các ống dẫn nước, ống kim loại đặt trong đất, các kết cấu kim loại của công trình có nối đất ... làm trang bị nối đất.
Nối đất nhân tạo: được thực hiện khi nối đất tự nhiên đo được không thỏa mãn điện trở lớn nhất Rmax của trang bị điện nối đất.
Tính toán nối đất nhân tạo:
Rnđ = c t
c t
R .R
R R (1-75)
Trong đó: Rc: Điện trở của cọc đóng thẳng, .
Rng: Điện trở của cọc thanh nối giữa các cọc, .
8.2.3.Trình tự tính toán nối đất:
Các bước thực hiện nối đất như sau:
1. Xác định điện trở nối đất cho phép theo tiêu chuẩn.
2. Xác định điện trở nối đất tự nhiên
3. Nếu Rtự nhiên < R thì ta không cần đặt thêm nối đất nhân tạo. Ngược lại cần phải xác định nối đất nhân tạo.
4. Chọn số lượng và kích thước các điện cực đóng thẳng đứng và điện cực đặt nằm ngang.
5. Đối với điện áp cao hơn 1000V thì phải kiểm tra lại độ bền nhiệt của dây dẫn theo công thức sau:
C . t I
S qd (1-76)
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Trong đó:
I : Dòng điện ngắn mạch xác lập, kA.
Tqd : Thời gian qui đổi, s.
C : Hằng số, đối với thép là 74, dây đồng trần là 195
Bảng điện trở suất của đất :
Bảng 1-12: Điện trở suất của đất
Loại đất Điện trở suất của đất (m)
Đất bùn lầy đến 30
Đất phù sa 20 ÷ 100
Đất mùn 10 ÷ 150
Đất than bùn ẩm 5 ÷ 100
Đất sét mềm 50
Đất sét lẫn vôi 100 ÷ 200
Đất cát sét 50 ÷ 500
Đất cát có tính silicát 200 ÷ 3000
Đất đá trần 1500 ÷ 3000
Đất đá có cơ bao phủ 300 ÷ 500
Đất đá vôi mềm 100 ÷ 300
Đất đá vôi cứng 1000 ÷ 5000
Đất đá vôi nứt nẻ 500÷ 1000
8.3. Hệ thống nối đất : 8.3.1. Tổng quan :
Mỗi dây dẫn sét phải sử dụng một hoặc hai điểm nối đất. Để tản nhanh dòng sét và giảm thiểu việc quá điện áp nguy hiểm trong vùng bảo vệ, hình dáng và kích thước của hệ thống nối đất cùng với giá trị điện trở nối đất phải phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn này.
Hệ thống nối đất phải đạt được yêu cầu sau :
Hệ thống phải có điện trở nhỏ hơn hay bằng 4 và phải đo trong trường hợp cách ly với các cấu trúc khác.
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Tổng trở sóng và cảm kháng của hệ thống nối đất phải có giá trị thấp để giảm thiểu ảnh hưởng điện động, làm giảm ảnh hưởng gia tăng điện xảy ra trong khi có phóng điện, với yêu cầu này hệ thống nối đất nên sử dụng bằng những cọc và thanh dài.
Việc dùng những cọc chôn sâu trong lòng đất thì không thuận lợi lắm ngoại trừ đất có điện trở suất cao.
Tuy nhiên hệ thống nối đất sẽ có tổng trở sóng cao khi chúng được chôn sâu quá 20m. Trong trường hợp này phải sử dụng một số lớn những cọc đứng và thanh ngang và chúng phải nối với nhau.
Tương tự như vậy, đồng nên được sử dụng làm hệ thống nối đất thay cho thép.
Ngoại trừ những trường hợp không thể thực hiện được, hệ thống nối đất phải đặt bên ngoài công trình.
8.3.2. Các hình thức nối đất :
Hình thức và kích thước hệ thống nối đất phụ thuộc vào điện trở suất của vùng nối đất.
Điện trở suất của đất có thể đo trực tiếp bằng các thiết bị chuyên dùng hoặc có thể xác định như sau.
Khi điện trở suất của đất được xác định, chiều dài của hệ thống nối đất được tính như sau :
L = 2 R
(1-77)
Trong đó :
: Điện trở suất của đất, m.
R : Điện trở của hệ thống nối đất, .
L : Chiều dài của hệ thống nối đất, m.
Với mỗi dây dẫn sét, hệ thống nối đất ít nhất phải bao gồm:
Dây dẫn có tiết diện và vật liệu giống như dây dẫn sét, chế tạo thành hệ thống chân quạ và được chôn sâu 50 80 cm.
Hệ thống cọc đóng thẳng đứng với chiều dài tổng cộng ít nhất là 6m và được sắp xếp bố trí theo đường thẳng hoặc hình tam giác và các cọc cách nhau ít nhất bằng chiều dài của cọc và được nối với nhau bằng dây dẫn phù hợp chôn sâu ít nhất 50 cm.
8.3.3. Biện pháp giảm điện trở của hệ thống nối đất chống sét :
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Khi điện trở suất của đất quá cao không thể đạt được điện trở hệ thống nối đất chống sét R 1 (đối với cấp bảo vệ tiêu chuẩn), có thể dùng một số biện pháp sau đây để làm giảm bớt điện trở nối đất :
Tăng cường thêm một số chất làm giảm điện trở suất của đất (muối, than).
Tăng cường thêm một số cọc nối đất.
Tăng cường một số điểm nối đất và nối chúng lại với nhau.
Áp dụng các phương pháp để làm tăng khả năng tản dòng sét của hệ thống tiếp dài.
Khi tất cả các biện pháp trên cũng không đạt được điện trở của hệ thống nối đất nhỏ hơn hay bằng 1 thì có thể chấp nhận rằng hệ thống nối đất có thể tản dòng sét an toàn khi chúng có độ dài lớn hơn 100 m chôn trên đất và mỗi thanh hay cọc không dài quá 20 m.
8.3.4. Liên kết các điểm nối đất lại với nhau :
Khi công trình có nhiều điểm nối đất thì có thể liên kết các điểm nối đất này lại với nhau bằng dây dẫn tiêu chuẩn. Việc liên kết các điểm nối đất phải đảm bảo dễ dàng cách ly chúng bằng những thiết bị đặc biệt để có thể dễ dàng cách ly để kiểm tra từng hệ thống. Dây dẫn nối chúng với nhau khi đi trong công trình phải tránh những điểm uốn cong để không ảnh hưởng lên các thiết bị và hệ thống cáp trong công trình.
Khi có nhiều cấu trúc nằm trong vùng bảo vệ thì hệ thống nối đất chống sét có thể nối vào hệ thống nối đất đẳng thế của các cấu trúc nằm trong công trình.
8.3.5. Khoảng cách an toàn trong đất :
Các thành phần của hệ thống nối đất chống sét phải có khoảng cách tối thiểu với những vật dẫn điện, ống dẫn bằng kim loại (chôn ngầm) như bảng sau:
Bảng 1-13: Khoảng cách an toàn tối thiểu của các loại ống dẫn.
Vật dẫn Khoảng cách an toàn tối thiểu
đất 500 m đất > 500 m
Vật dẫn điện HAT 0,5 0,5
LV không nối đất 2 5
Hệ thống nối đất LV 10 2,0
Đường ống dẫn ga 2 5
8.3.6. Vật liệu dùng làm hệ thống nối đất :
Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu
Bảng 1-14: Vật liệu dùng làm hệ thống nối đất.
Vật liệu Tính năng Tiết diện tối thiểu
Đồng trần hoặc mạ thiếc
Điện thế thấp và chống ăn
mòn tốt
- Cáp dẹp : 30 x 2 mm
- Cáp tròn : đường kính 8 mm - Lưới dây : tiết điện 10 mm2
- Cọc : đường kính 25 mm, dài 1m - Thanh dạng ống : đường kính ngoài 25 mm ,dài 1m.
Thép mạ đồng - Cọc : đường kính 15 mm, dài 1m
Thép không rỉ
Chống ăn mòn tốt
- Cáp dẹp : 30 x 2 mm
- Cáp tròn : đường kính 10 mm - Cọc : đường kính 10 mm Thép mạ
Gavanized
Chống ăn mòn kém
- Cáp dẹp : 30 x 2 mm
- Cáp tròn : đường kính 10 mm - Cọc : đường kính 10 mm, dài 2m