III. CHỐNG SÉT VÀ NỐI ĐẤT
1. Hệ thống chống sét
Sự cảm ứng quá điện áp, quá trình quá độ do bởi sét đánh, các hậu quả của đóng mạch điện, của sự số lưới điện... Hậu quả không mong muốn do sét đánh hoặc do quá điện áp thường gây ra những hậu quả thiệt hại về kinh tế và thiết bị kỹ thuật. Nên việc chống sét cho công trình là rất quan trọng và phải được tiến hành thiết kế, lắp đặt, kiểm tra một cách cận thận.
Sét là sự phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây tích điện và đất hay giữa các đám mây mang điện tích trái dấu. Các công trình về điện như đường dây, các trạm biến áp, trạm phân phối ….. là những nơi dễ bị sét đánh, vì vậy phải có biện pháp bảo vệ chống sét để tránh cho các công trình bị sét đánh trực tiếp.
Có các loại sét khác nhau: sét đánh trực tiếp, sét đánh gián tiếp, sét cảm ứng.
- Sét đánh trực tiếp là sét đánh thẳng vào nhà cửa công trình hoặc đánh vào bồn nước kim loại hay trụ anten nằm trên công trình đó, đánh vào cây cối, đánh vào người đang di chuyển khi đang có dông ...Đây là loại sét nguy hiểm nhất vì nó có thể gây thiệt hại nặng nề cho công trình hoặc gây chết người.
- Sét đánh gián tiếp là sét đánh vào đường dây điện thoại, đường dây tải điện cao thế hoặc hạ thế ở một nơi nào đó rồi theo đường dây truyền vào công trình làm hư hỏng thiết bị điện đang sử dụng. Chúng ta thường thấy hiện tượng bóng đèn, điện thoại, TV, tủ lạnh .... bịcháy hoặc người đang gọi điện thoại bị điện giật mạnh sau một cơn dông sét tất cả là do ảnh hưởng của loại sét này.
- Sét cảm ứng bao gồm cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ. Sét cảm ứng tĩnh điện thường chỉ nguy hiểm cho các công trình có chứa chất dễ cháy nổ như xăng dầu, khí đốt do tác động của phóng điện thứ cấp còn sét cảm ứng điện từ chỉ nguy hiểm đối với các thiết bị hiện đại dùng các linh kiện điện tử nhạy với xung điện trong các công trình bưu điện, viễn thông, phát thanh truyền hình.
Các biện pháp chống sét.
1.1 Giải pháp cổ điển (dùng kim thu sét cổ điển Franklin).
Kim thu sét Franklin (Cọc thu lôi): Là một thanh kim loại có đầu nhọn dài khoảng 3m được lắp tại nơi cao nhất trong khu vực cần bảo vệ, nó hoạt động theo nguyên lý phóng điện điểm, nghĩa là trong điện trường khí quyển của dông bão, kim thu sét này sẽ liên tục nhả điện
tích vào vùng không gian do đó quanh đầu kim thu sét sẽ có điện trường cục bộ mạnh so với các điểm xung quanh và hình thành một tia lửa điện mồi (dòng mồi) nên nó dễ dàng thu hút dòng sét tiên đạo từ mây đi xuống, dòng điện sét này sẽ truyền từ kim qua hệ thống dây dẫn để đi xuống đất và tản nhanh trong đất nhờ bãi tiếp địa tản sét.
Trong hệ thống cổ điển này, sét thường được nối xuống đất bằng các dây sắt. Các cọc thu sét cũng được nối ngang với nhau để tăng hiệu quả thoát sét. Chính hệ thống này làm cho toà nhà mất tính thẩm mỹ, gây nhiễu điện từ cho thiết bị điện tử và gây nguy hiểm cho những người đi gần đó khi có sét đánh.
Kim thu sét cổ điển - Đầu thu
đa điểm - HEX Cột thu lôi Kim thu sét DETAKOM
1.2. Các gải pháp hiện đại.
Chống sét theo công nghệ phát tia tiên đạo sớm thu hút sét tới thiết bị chống sét:
Theo công nghệ này của hãng INGESCO (Spain) kim thu sét có nhiệm vụ tạo một dòng ion đánh lên trước bất kỳ một bộ phận nào khác của toà nhà hay cấu trúc công trình. Khi có một dòng electron đang được đánh xuống, sẽ gây lên sự ion hoá các phần tử không khí để tạo nên một dòng đánh lên. Đây là một thiết bị chủ động, không sử dụng nguồn điện nào, không gây ra bất kỳ tiếng động, chỉ tác dụng trong vòng vài giây trước khi dòng sét thực sự đánh xuống. Nó có tác dụng liên tiếp trong thời gian dài. Nguyên lý này được trình bày như sau
- Trong trường tĩnh điện, quả cầu nối đất qua trở kháng và do dạng hình học của nó, hiệu ứng Corona được cực tiểu hoá.
- Trong trường điện động, tia tiên đạo sét đi xuống ghép điện dung với bề mặt của quả cầu.
- Quả cầu phản ứng lại sự gia tăng điên trường bằng cách tăng điện thế do hằng số thời gian dài tạo kênh tĩnh trở kháng cao.
- Khe phóng điện được hình thành do sự chênh lệch điện thế giữa quả cầu và kim nối đất ở giữa.
- Năng lượng đã tích luỹ được giải phóng dưới dạng ion, tạo ra một đường dẫn tia tiên đạo đi lên phía trên chủ động dẫn sét.
Một số hình ảnh của kim thu sét IONIFLASH
2. Thiết kế hệ thống chống sét.
2.1. Giới thiệu thiết bị thu sét tia tiên đạo bằng sáng chế Heslita – CNRS 2.1.1. Tiêu chuẩn của thiết bị thu sét Heslita – CNRS.
Vùng bảo vệ của hệ thống chống sét Để chọn thiết bị thu sét ta cần tính toán một số tiêu chuẩn sau: Ta có công thức tiêu chuẩn sau:
RP = h(2D−h)+∆L(2D+∆L)
Rp: Bán kính bảo vệ nằm ngang tính từ chân đặt đầu kim Pulsar (Công thức áp dụng với h > 5m).
h: Chiều cao kim Pulsar tính từ đầu kim đến bề mặt được bảo vệ D: Bán kính đánh sét
Bán kính bảo vệ của kim thu sét phát tia tiên đạo PULSAR phụ thuộc vào độ cao (h) của đầu kim so với mặt phẳng cần được bảo vệ.
D = 20 m: Đối với mức bảo vệ cấp I D = 45 m: Đối với mức bảo vệ cấp II D = 60 m: Đối với mức bảo vệ cấp III ΔL = V . ΔT
ΔL: Độ dài tia tiên đạo PULSAR phát ra và được tính bằng mét (m).
ΔT: Thời gian phát tia tiên đạo PULSAR và được tính bằng micro giây (ms)
V: Vận tốc lan tuyền của tia tiên đạo trong khí quyển và được tính bằng mét trên micro giây (m/ms). Giá trị của V được tính toán, đo đạt theo thực nghiệm và được nêu trong tiêu chuẩn NF C 17-102, V = 106.
- Nếu h< 5m thì dùng phương pháp đồ thị theo mục 2.2.3.3.a, b và c của tiêu chuẩn NF C 17-102
Bảng tra vùng bán kính bảo vệ Rp (m) của tia tiên đạo PULSAR. Cấp
bảo vệ
PULSAR 18 PULSAR 25 PULSAR 40 PULSAR 60
I II III I II III I II III I II III
h (m) 2 14 19 22 19 25 28 28 35 38 36 45 47 3 21 29 33 28 38 42 41 52 51 53 66 72 4 28 38 44 38 50 57 53 69 76 71 87 97 5 35 49 55 48 63 71 68 86 95 89 108 118 6 35 49 56 48 64 72 69 87 96 89 108 118 8 36 51 58 49 65 73 69 87 97 89 109 119 10 37 52 60 49 66 75 69 88 98 89 110 120 15 38 55 64 50 69 78 70 90 100 90 111 122 20 38 58 67 50 71 81 70 92 102 90 112 124 45 38 69 77 50 75 89 70 96 109 90 115 129
60 30 69 78 50 75 90 70 95 110 90 115 130
2.1.2. Nguyên lý làm việc của đầu kim thu sét Pulsar.
Ta chọn đầu kim thu sét Pulsar 18 để bảo vệ chống sét cho toà nhà Cấu tạo của kim thu sét Pulsar 18
5 4 3 2 1 2m or 3m 0,75m
Cấu tạo kim sét Pulsar 18
2. Đĩa kim loại với nhiều đường kính và độ dầy khác nhau tuỳ thuộc vào kiểu kim thu sét Pulsar
3. Bầu hình trụ chúa thiết bị phát tia tiên đạo tạo đường dẫn sét chủ động 4. Đường kính phía ngoài ống Pulsar 300mm
5. Kẹp nối dây để đưa dây dẫn sét xuồng đất.
3. Thiết kế hệ thống chống sét cho toà nhà cao 17 tầng.
Chống sét cho mỗi khối nhà cao 17 tầng. Kỹ thuật mới xây bằng hệ thống dùng thiết bị thu sét tia tiên đạo bằng sáng chế Hélita - CNRS. Sử dụng công nghệ hiện đại phát ra xung điện thế cao về phía trên liên tục chủ động dẫn sét (tức là tạo ra tia tiên đạo phóng lên để thu hút và bắt giữ từ xa tia tiên đạo phóng xuống từ đám mây dông), và dùng cáp đồng (25mmx3mm) để thoát sét. Ta dùng các cọc đồng để tiêu sét trong đất.
Điện trở nối đất chống sét <=10 ôm tuân theo tiêu chuẩn 20 TCN 46-84 hiện hành của Bộ Xây Dựng. Sau khi lắp đặt xong, kiểm tra nếu không đặt được phạm vi cho phép nhỏ hơn 10 ôm thì tiến hành đóng cọc tiếp.
Bán kính bảo vệ 55m.
Bản thiết kế chi tiết: CS - 01, CS - 02, CS - 03, CS - 04.
II. HỆ THỐNG NỐI ĐẤT. 1. Giới thiệu.
Hệ thống nối đất an toàn thiết bị điện: Hệ thống cung cấp điện làm nhiệm vụ truyền tải và phân phối điện năng đến các hộ tiêu thụ dùng điện. Vì vậy đặc điểm quan trọngcủa hệ thống cung cấp điện là phân bố trên diện tích rộng và thường xuyên có người làm việc với các thiết bị điện. Cách điện của các thiết bị điện hỏng, người vận hành không tuân theo các quy tắc an toàn … Đó là những nguyên nhân dẫn đến các tai nạn điện giật. Nối đất là biện pháp an toàn trong hệ thống cung cấp điện. Nếu cách điện bị hỏng vỏ thiết bị sẽ mang điện áp sẽ có dòng rò chạy từ vỏ thiết bị xuống đất lúc này nếu người chạm vào vỏ thiết bị thi điện trở Rngười được mắc song song với điện trở nối đất Rnđ. Lúc này dòng điện chạy qua người sẽ bằng
d ng d ng R I = .I R
Id - dòng điện chạy qua điện trở nối đất .
Đảm bảo an toàn cho người vận hành các thiết bị điện trong hệ thống nên yêu cầu của hệ thống nối đất an toàn điện rất cao: Rnđ ≤ 4 Ω
Hệ thống nối đất chống sét: Sét đánh trực tiếp hoặc gián tiếp vào thiết bị điện không những làm hỏng thiết bị điện mà còn gây nguy hiểm cho người vận hành. Đảm bảo an toàn cho con người và tài sản trong tòa nhà trước tác động của hiện tượng sét thì hệ thống nối đất phải có Rnđ ≤ 10 Ω
Thiết kế hệ thống nối đất chống sét và nối đất an toàn điện phải tuân theo tiêu chuẩn nối đất an toàn điện TCVN 46-84 hiện hành của Việt Nam. Tất cả các vỏ kim loại của tủ điện, hộp aptomat phải được nối vào hệ thống nối đất an toàn điện. Hệ thống nối đất an toàn điện độc lập với hệ thống nối đất chống sét
• Nối đất chống sét
Nối đất chống sét là nối điện thiết bị chống sét (kim thu lôi, dây thu sét, lưới thu sét, thiết bị chống sét ...) với hệ thống nối đất nhằm tản dòng điện sét vào đất giữ cho điện áp tại mọi điểm (trong khu vực được bảo vệ) không quá lớn, đảm bảo an toàn cho công trình, thiết bị và con người khi có sét đánh.
Đối với bảo vệ chống sét chúng ta cần quan tâm đến hai vấn đề chính sau:
- Phạm vi bảo vệ hay vùng bảo vệ, đó chính là khoảng không gian mà vật được bảo vệ đặt trong đó rất ít có khả năng bị sét đánh
- Trị số điện trở của hệ thống trang bị nối đất.
• Hệ thống trang bị nối đất.
Trang bị nối đất bao gồm các điện cực nối đất và dây nối đất. Các điện cực nối đất bao gồm các điện cực thẳng đứng được đóng sâu vào trong đất và các điện cực nằm ngang được chôn trong đất ở một độ sâu nhất định.
Dây nối đất dùng để nối liền các bộ phận được nối đất với các điện cực nối đất. Khi thực hiện nối đất, trước hết lợi dụng các vật nối đất tự nhiên sẵn có như các đường ống dẫn nước hay các ống bằng kim loại khác đặt trong đất (trừ các ống dẫn nhiên liệu lỏng, khí dễ cháy), các kết cấu kim loại của công trình nhà cửa có nối đất, các vỏ bọc kim loại của cáp đặt
trong đất (trừ vỏ cáp chì, vỏ cáp thép ít dùng). Điện trở của các nối đất tự nhiên được xác định bằng cách đo thực tế hay tính gần đúng theo các công thức kinh nghiệm.
Nếu nối đất tự nhiên không đảm bảo được trị số điện trở Rđ theo yêu cầu thì phải dùng nối đất nhân tạo.
Nối đất nhân tạo được thực hiện bằng các cọc thép tròn, thép ống, thanh thép dẹt hay thép góc dài 2 - 3m, đóng sâu xuống đất, đầu trên của chúng cách mặt đất 0,5 - 0,8 m để tránh thay đổi của Rđ theo thời tiết. Các cọc thép được hàn nối với nhau bằng các thanh thép đặt nằm ngang và cũng được chôn sâu cách mặt đất 0,5 - 0,8m.
Tùy theo cách bố trí các điện cực nối đất mà phân biệt nối đất tập trung hay nối đất mạch vòng
a) Nối đất tập trung:
Thường dùng nhiều cọc đóng xuống đất và nối với nhau bằng các thanh ngang hay cáp Cu trần. Khoảng cách giưa các cọc thường = 2 lần chiều dài cọc để loại trừ hiệu ứng màn che. Trong trường hợp khó khăn về mặt bằng thì khoảng cách này ko nên nhỏ hơn chiều dài cọc. Nối đất tập trung thường chọn nơi đất ẩm , điện trở suất thấp, cách xa công trình.
b) Nối đất mạch vòng:
Các điện cực nối đất được đặt theo chu vi công trình cần bảo vệ ( cách mép ngoài từ 1 -1,5m) khi phạm vi công trình rộng. Nối đất mạch vòng còn đặt ngay trong khu vực công trình. Nối đất mạch vòng nên dùng ở các trang thiết bị có điện áp > 1000 V, dòng điện chạm rất lớn
Khi thi công hệ thống nối đất cần chú ý các điểm sau:
Các cọc nối đất bắng sắt hay thép trước khi đặt xuống đất đều được đánh sạch gỉ, ko sơn. Ở môi trường có khả năng ăn mòn kim loại thì phải dùng sắt tráng kẽm hay cọc thép bọc đồng.
Đường dây nối đất chính đặt ở ngoài nhà phải chôn sâu 0,5-0,8m, ở trong nhà đặt trong rãnh hoặc đặt nối theo tường, sao cho việc kiểm trang thiết bị được thuận tiện.
Dây nối đất chính được nối vào bảng đồng nối đất, các trang thiết bị điện được nối với bảng đồng nố đất bằng 1 đường dây nhánh. Cấm mắc nối tiếp các trang thiết bị điện vào dây nối đất chính.
2. Thiết kế hệ thống nối đất an toàn điện và hệ thống nối đất chống sét cho toà nhà 17 tầng. 2.1 Thiết kế hệ thống nối đất an toàn điện cho tòa nhà hỗn hợp.
Đất ở khu vực tòa nhà là đất đen, tra bảng phụ lục 6.4 điện trở suất ρ của đất ta có điện trở suất của đất ρđat = 2.104(Ω/m)
Đất khô nên theo bảng PL 6.5 hệ số hiệu chỉnh điện trở suất của đất Kmax ta chọn hệ số mùa là : KCọc = 1,4 và KThanh = 1,6
Sơ bộ ta dùng 30 cọc thép góc L có kích thước (60x60x6) mm dài 2,5 m được đóng thẳng chìm sâu xuống đát cách mặt đất 0,8 m.
Điện trở khuếch tán của một cọc:
R1C = 0,00298.ρ.Kcọc = 0,00298.2.104.1,4 = 83,44 (Ω)
Các cọc được chôn thành mạch vòng cách nhau 5 m, chiều dài cọc 2,5m nên hệ số sử dụng của cọc là tỉ số a/l = 2 → tra bảng PL 6.7 hệ số sử dụng của cọc ηc ≈ 0,6.
Điện trở khuếch tán của 30 cọc là:
635 , 4 6 , 0 . 30 44 , 83 . 1 = = = c C C n R R η (Ω)
Chọn thanh thép dẹt có kích thước (40x4) mm, được chôn sâu 0,8 m và được nối thành vòng qua 30 cọc.
Tổng chiều dài của các thanh nối nằm ngang L: l = 5.30 = 150 (m)
Hệ số sử dụng thanh nối là tỉ số a/l = 2 tra bảng PL 6.7 hệ số sử dụng của cọc ηt ≈ 0,3; Điện trở khuếch tán của thanh nối:
14 80 . 4 15000 . 2 lg . 10 . 2 . 4 , 1 . 3 ,