Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
1
LỜI MỞ ĐẦU Trong công cuộc đổi mới, xây dựng và phát triển của đất nước ta, ngày càng có nhiều công
trình xây dựng, nhà máy mọc lên nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho nhân dân. Bên
cạnh sự ưu đãi của thiên nhiên cho con người cũng kèm theo sự khắc nghiệt của nó. Trong đó sét
là một hiện tượng tự nhiên có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người và tài sản. Vì vậy,
ngoài việc xây dựng các công trình chúng ta cần phải có biện pháp bảo vệ tránh được thiệt hại
do sét gây ra.
Năm 1752 nhà bác học người Mỹ là Benjamin Franklin đã khám phá ra nguyên tắc cơ bản
trong việc phòng chống sét trực tiếp là dùng cột nhọn (kim Franklin) để thu sét và dẫn sét xuống
đất, bảo vệ các công trình xây dựng.
Tuy nhiên, kim Franklin cũng có nhượt điểm là phạm vi bảo vệ hẹp , làm việc không tin cậy
và không hiệu quả. Ngày nay, với sự phát triển của KHKT, các nhà khoa học đã nghiên cứu và
chế tạo được các thiết bò thu sét hiệu quả hơn. Trong tập kuận án này xin trình bày các lý luận cơ
bản về sét và các phương pháp phòng chống sét trực tiếp sử dụng công nghệ mới bao gồm nội
dung là:
- Tổng quan về sét và các phương pháp phòng chống sét trực tiếp.
- Giới thiệu hệ thống chống sét System 3000 (của hãng GLT – c) và các phần mềm liên
quan.
- Thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM.
PHÒNG CHỐNG SÉT . A. TỔNG QUAN:
Nước Việt Nam ta thuộc vùng khí hậu nhiệt đới, nóng và ẩm thuận lợi cho việc hình thành
mây dông và sét. Ngày nay, khi nền kinh tế đất nước phát triển tình hình xây dựng cũng phát
triển rầm rộ, nhiều toà cao ốc, khu công nghiệp ra đời, do đó việc phòng chống sét là một
vấn đề cần được quan tâm.
Để thiết kế được hệ thống chống sét cho một công trình cần phải có sự hiểu biết cơ bản về
điện khí quyển, các hiện tượng phóng điện trong khí quyển (cũng như các hiện tượng phóng
điện giữa đám mây với mặt đất).
1/ Quá trình phóng điện của sét:
1.1/ Sự hình thành mây dông và sét:
Dông là hiện tượng xãy ra chủ yếu vào mùa hạ liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ của
đối lưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển. Dông được đặt trưng bởi sự xuất hiện những đám
mây dông hay mây tích vũ (Cumulonimbus) có độ dầy từ 10 ÷ 16 Km, tích tụ một lượng nước
và tạo ra những điện thế cực mạnh.
Trong thực tế sự hình thành các cơn dông gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không
khí khổng lồ từ mât đất bốc lên. Các luồng không khí này được hình thành do sự đốt nóng bởi
ánh sáng mặt trời, đặc biệt ở các vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng
không khí nóng ẩm với không khí lạnh (dông Front). Sau khi đã đạt được độ cao nhất đònh
(khoảng vài ki-lô- met trở lên – vùng nhiệt độ âm), luồng không khí ẩm này bò lạnh đi – hơi
nước ngưng tụ thành những giọt nhỏ li ti hay các tinh thể băng và tạo thành những đám mây
dông.
Đã từ lâu người ta khẳng đònh về nguồn tạo ra điện trường giữa các đám mây dông và
mặt đất chính là những điện tích tích tụ trên các hạt nước li ti và các tinh thể băng của các
dám mây dông đó. Qua nhiều lần đo đạt thực nghiệm, người ta thấy rằng khoảng 80 ÷ 90%
phần dưới các đám mây dông chủ yếu chứa điện tích âm, từ đó cảm ứng trên mặt đất những
điện tích dương tương ứng và tạo nên một tụ điện không khí khổng lồ.
Hình 2.1 : Sự phát sinh của sét trong đám mây dông.
Sét thực chất là một dạng phóng tia lửa điện trong không khí với khoảng phóng đện rất lớn.
Chiều dài trung bình của kênh sét khoảng từ 3 ÷ 5 Km. Phần lớn chiều dài đó phát triển trong
đám mây dông. Quá trình phóng điện của sét tương tự quá trình phóng điện tia lửa trong điện
trường rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn.
1.2/ Các giai đoạn phóng điện của sét
:
Ban đầu xuất phát từ mây dông một dãi sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt
đất với tốc độ trung bình khoảng 10
5
÷ 10
6
m/s , đó là giai đoạn phóng điện tiên đạo theo từng
đợt. Kênh tiên đạo là một dòng Plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 10
Hình 3.1: Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian.
a. Giai đoạn phóng điện tiên đạo.
b. Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hoá mãnh liệt.
c. Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu.
d. Phóng điện chủ yếu kết thúc.
Điện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng: Q = σ.L
Với: σ là mật độ điện tích.
L là chiều dài kênh.
Điện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng điện tích chạy vào đất trong một lần phóng
điện sét. Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của mây dông và điện tích trong
kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu (thường là điện tích dương) trên vùng mặt đất
phía dưới đám mây dông. Nếu vùng đât phía dưới bằng phẳng và có điện dẫn đồng nhất thì nơi
điện tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo. Nếu vùng đất phía dưới có điện
dẫn khác nhau thì điện tích sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi có điện dẫn cao như vùng
quặng kim loại, vùng đất ẩm, ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các nhà cao
tầng, cột điện, cây cao bò ướt,… những nơi đó sẽ là nơi đổ bộ của sét.
Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của nó (trong
mây dông) được xác đònh bởi điện tích bản thân của kênh và của điện tích tích tụ ở đám mây.
Đường đi của kênh tiên đạo này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất. Chỉ khi kênh tiên
đạo còn cách mặt đất một độ cao đònh hướng nào đó thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng sự tập trung
điện tích ở mặt đất và ở các vật thể dẫn điện nhô khỏi mặt đất với hướng phát triển tiếp tục của
kênh theo hướng có cường độ điện trường lớn nhất.
những nơi vật dẫn có độ cao (nhà cao tầng, cột ăng ten, đài phát thanh,…) từ đỉnh của nó
xuống. Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói còn gọi
là chớp. Đặt điểm quan trọng nhất của phóng điện chủ yếu là cường độ dòng điện lớn.
Gọi V là tốc độ của phóng điện , σ là mật độ điện tích thì dòng điện sét sẽ đạt giá trò cao
nhất (Hình 1.3c):
i
s
= σV.
Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích còn lại của mây sẽ theo kênh
phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trò số nhất đònh
giảm nhanh tương ứng với phần đuôi sóng (Hình 1.3d).
Kết quả quan trắc sét cho thấy phóng điện sét thường xãy ra nhiều lần kế tục nhau (trung
bình là 3 lần, nhiều nhất có thể đến vài chục lần). Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát
triển liên tục (không theo từng đợt như lân đầu), không phân nhánh và theo đúng q đạo của lần
đầu nhưng với tốc độ cao hơn (2.10
6
m/s).
Qua nghiên cứu về sét, người ta lý giải được sự phóng điện nhiều lần của sét như sau: trong
đám mây dông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau được hình thành do những luồng
không khí xoáy. Lần phóng điện đầu đưọc xãy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cường độ
điện trường cao nhất. Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu điện thế giữa các trung tâm
điện tích này với trung tâm điện tích đầu tiên thực tế không thay đổi và ít có ảnh hưởng qua lại
với nhau. Nhưng khi kênh phóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên
của đám mây thực tế mang điện thế của đất làm cho hiệu điện thế giữa trung tâm đã phóng với
trung tâm điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện với nhau. Khi đó thì kênh
phóng điện cũ vẫn còn một điện thế dẫn nhất đònh do sự khử ion chưa hoàn toàn nên phóng điện
tiên đạo lần sau theo đúng quỹ đạo đó, liên tục và với tốc độ cao hơn lần đầu.
/dt.
+ Độ dài dòng sét (τ
s
): là thời gian từ đầu dòng sét đến khi dòng sét giảm ½ biên độ. Hình 5.1: Dạng sóng dòng điện sét.
2.1/ Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện:
Dòng điện sét có trò số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu đến trung tâm điện tích của
đám mây dông.
Xác suất xuất hiện dòng điện sét có thể tính gần đúng theo công thức:
+ Cho vùng đồng bằng:
V
I
= e
-is/60
= 10
Có nghóa là trong tổng số lần sét đánh chỉ có 10% số lần sét có biên độ dòng điện sét từ 60KA
trở lên.
2.2/ Độ dốc đầu sóng dòng điện sét và xác suất xuất hiện:
Để đo độ dốc dòng điện sét người ta dùng một khung bằng dây dẫn nối vào một hoa điện kế.
Khi sét đánh vào cột thu sét với độ dốc a thì trong khung sẽ cảm ứng lên một sức điện động bằng
Mdi
s
/dt (M là hệ số hổ cảm giữa dây dẫn dòng điện sét của cột thu sét với khung).
Điện áp đầu ra của khung: U = M(di
s
/dt)
max
.
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
7
Độ dốc lớn nhất của dòng điện sét chạy qua cột: a = (di
s
/dt)
max
, (KA/μs).
* Xác suất xuất hiện độ dốc có thể tính theo:
+ Cho vùng đồng bằng: V
a
= e
-a/15,7
= 10
n – số lần sét đánh trung bình trên 1Km
2
trong một năm xãy ra ở đòa phương xây dựng
nhà(công trình).
* Số lần sét đánh trung bình trên 1Km
2
trong một năm:
Bảng 1.1:
Số giờ dông
trong năm.
Số lần sét đánh
Trung bình.
20 – 40
40 – 60
60 – 80
80 – 100
> - 100
2,5
3,8
5
6,3
7,5
* Số ngày dông trung bình trong năm ở một số đòa phương của Việt Nam (theo số liệu của tổng
cục khí tượng thủy văn thống kê):
Bảng 2.1 :
TT Đòa phương Ngày
dông/năm
Nghệ an - Vinh
Phú yên - Tuy hòa
Quảng bình - Đồng hới
Quảng nam - Đà nẵng
Quảng ngãi
Quảng ninh - Hòn gai
Quảng trò - Đông hà
88,4
37,6
71,7
76,0
75,2
87,1
72,4
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
8
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
87,2
92,8
72,3
78,6
78,6
45,0
110,4
99,4
97,0
89,5
77,6
89,8
118,9
72,2
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
57,3
52,3
104,1
111,9
95,8
111,3
110,3
90,8
3/ Tác hại của dòng điện sét:
- Khi một công trình bò sét đánh trực tiếp dòng sét sẽ gây tác hại về cơ , nhiệt và điện từ.
- Nếu các công trình nối liền với các vật dẫn điện kéo dài như : đường dây điện, dây điện
thoại, đường rây, ống nước gas bằng kim loại,... những vật dẫn ấy có thể mang điện thế cao từ xa
đến khi chúng bò sét đánh, gây nguy hiểm cho người và các thiết bò nối với nó.
- Cần chú ý là điện áp có thể cảm ứng trên các vật dẫn (cảm ứng tónh điện, hoặc các dây
dẫn điện tạo thành những mạch vòng cảm ứng điện từ). Khi có phóng điện sét ở gần điện áp này
có thể lên đến hàng chục kV và do đó rất nguy hiểm.
Như vậy, sét có thể gây nguy hiểm trực tiếp và gián tiếp cần phải có các phương pháp
phòng chống sét trực tiếp và gián tiếp hữu hiệu, giảm thiểu các rủi ro do sét gây ra.
B. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT TRỰC TIẾP :
1/ Khái niệm chung:
Để chống sét đánh trực tiếp cho đến nay thường dùng hệ thống thu sét bằng cột thu lôi,
đối với các tòa nhà công nghiệp, trạm, kiến trúc cao tầng,... bộ phận thu sét có thể dùng kim,
dây, đai hoặc lưới thu sét. Yêu cầu của việc chống sét là toàn bộ công trình được bảo vệ cần
phải nằm trong vùng bảo vệ của hệ thống thu sét, hệ thống này có thể nằm ngay trên kết cấu
công trình hay đặt cách ly tùy thuộc vào hoàn cảnh và điều kiện cụ thể. Song song với việc chọn
Hình 6.1: Cột thu sét.
Kim thu được làm bằng thép cán với nhiều loại tiết diện khác nhau, đỉnh kim không nhỏ hơn
100mm
2
. Nếu thép dẹp bề dày không được nhỏ hơn 3,5mm. Nếu thép ống bề dày thành ống
không nhỏ hơn 3mm. Chiều dài hiệu dụng của kim không được nhỏ hơn 200mm. Kim thu có thể
mạ kẽm, thiếc, sơn dẫn điện.
Nếu cột làm bằng kim loại có thể dùng thân cột để làm dây dẫn sét, cột làm bê tông lõi
thép có thể dùng thép trong cột làm dây dẫn sét, và đối với những nhà, công trình có những cấu
kiện bằng thép hoặc bê tông cốt thép thì có thể dùng các phần kim loại của cấu kiện để làm dây
dẫn sét.Trong các trường hợp trên, phần kim loại dùng vào việc truyền dẫn dòng điện sét phải có
tiết diện từ 100mm trở lên (với thép) và phải bảo đảm liên tục về mặt dẫn điện.
2.2. Đai và lưới thu sét:
Đai và lưới thu sét dùng để chống sét đánh thẳng có thể làm bằng thép dẹp hay tròn với
tiết diện không được nhỏ hơn 35mm
2
. Đai hoặc lưới cho phép đặt bên dưới lớp chống thấm hay
lớp cách nhiệt của nó.
Cũng có thể đặt kết hợp kim ngắn lên lưới thu sét, khoảng cách trung bình giữa các kim
Hình 8.1: Dây thu sét.
2.4. Cách xác đònh vùng bảo vệ:
+ Phương pháp quả cầu lăn:
Giữa điện tích và cường độ điện trường tại mũi tiên đạo sét cũng như giữa điện tích và
biên độ dòng sét có một mối quan hệ. Từ mối quan hệ này một phương pháp được đưa ra vào
cuối thập niên 70 nhằm xác đònh điểm sét đánh dựa trên cơ sở của độ dài khoảng cách phóng
điện, gọi là phương pháp “Quả cầu lăn” và phương pháp này đã được đưa vào tiêu chuẩn của c
AS 1768 - 1991.
Người ta giả thiết mũi tiên đạo sét ở điểm giữa (tâm) một quả cầu có bán kính bằng độ
dài của khoảng cách phóng điện, như vậy sẽ có những điểm bề mặt quả cầu chạm với mặt đất
hoặc các bộ phận trên bề mặt đất, những điểm chạm đó có thể là những điểm sét đánh, cũng có
các vùng bề mặt quả cầu không thể chạm đến, điều này được minh họa trên hình 9.1
Quả cầu này có bán kính khoảng 45m đối với mức bảo vệ tiêu chuẩn (dòng điện sét đánh
10KA và hơn nữa). Đối với các công trình quan trọng (dễ cháy, nổ), người ta thiết kế quả cầu có
bán kính 20m.
Vùng bề mặt cầu không chạm tới được có thể ngăn cản sét gọi là vùng bảo vệ.
Khoảng cách phóng điện Ds (độ dài cản sét) phụ thuộc vào biên đô dòng sét có thể xác
Hình 9.1 : Mô tả vùng bảo vệ theo phương pháp quả cầu lăn.
+ Phương pháp hình nón:
a. Phạm vi bảo vệ của cột thu sét
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là một hình nón tròn xoay có đường sinh dạng
hyperbol, có tiết diện ngang là những hình tròn với bán kính rx được xác đònh:
h - h
x
r
x
= 1,6h p.
h + h
x Với p = 1 khi h ≤ 30m
30 1
p = = 5,5
h h
Khi 30m < h < 100m Hình 10.1 : Phạm vi bảo vệ của cột thu sét
= 0,75h(1 - ) p
h Hình 11.1 : Phạm vi bảo vệ của cột thu sét với cách vẽ đơn giản hóa
Thực nghiệm cho thấy là nên dùng nhiều cột với độ cao không lớn để bảo vệ thay cho
một cột có độ cao lớn ; phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với tổng
số phạm vi bảo vệ của 2 cột đơn.
Hình 12.1: Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau.
- Khi 2 cột thu sét đặt cách nhau một khoảng a = 7h thì bất kỳ điểm nào trên mặt đất
trong khoảng giữa 2 cột sẽ không bò sét đánh, từ đó suy ra nếu 2 cột thu sét đặt cách
nhau một khoảng a < 7h thì sẽ bảo vệ được độ cao ho xác đònh bởi:
ox
= 1,6h
o
p
h
o
+ h
x - Nếu 2 cột thu sét có độ cao khác nhau, ví dụ: h
1
< h
2
phạm vi bảo vệ giữa 2 cột có được
bằng cách nối hình cột h
2
ngang cắt đường sinh của cột h
1
tại một điểm, điểm này xem như là
đỉnh của cột thu sét giả tưởng .
h
1
’ = h
2
và khu vực bảo vệ giữa 2 cột h
2
và h
1
’ cách nhau a’ đã được trình bày như 2 cột thu có độ
)p với h > 30m
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
14
Hình 14.1: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét .
Hình 16.1: Phạm vi bảo vệ của 1 dây chống sét.
- Phạm vi bảo vệ của 2 DCS :
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
15
Khi 2 DCS đặt cách nhau một khoảng S = 2B = 4h thì mọi điểm trên mặt đất nằm giữa 2
dây này sẽ được bảo vệ an toàn và nếu S < 4h thì có thể bảo vệ cho các điểm (giữa 2 dây) có
mức cao tới :
h
o
= h - S/4p.
DD
= 2h
DCS
/3 thì
α
gh
= 31
o
(tgα
gh
= 0,6)
Để tăng mức an toàn (giảm xác suất sét đánh vòng qua
DCS vào DD) .Thường chọn α = 20
o
÷ 25
o
cho các đường
dây tải điện quan trọng . Hình:18.1 3. Chống sét theo phương pháp hiện đại:
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
16
- Quá trình ion hóa được đặc trưng bởi:
+ Thiết bò ion hóa cho phép ion phát ra trong khoảng thời gian rất ngắn và tại thời điểm thích hợp
đặc biệt, chỉ vài phần của giây trước khi có phóng điện sét, do đó đảm bảo dẫn sét kòp thời chính
xác.
+ Sự xuất hiện một số lượng lớn các electron tiên đạo cùng với sự gia tăng của điện trường có
tác dụng rút ngắn thời gian tạo hiệu ứng Corona.
+ Đầu thu ESE phát ra một đường dẫn sét chủ động về phía trên nhanh hơn bất cứ điểm nhọn
nào gần đó.
3.2 . Cách xác đònh vùng bảo vệ :
Tùy theo công nghệ chế tạo của từng loại đầu thu mà các nhà sản xuất đưa ra công thức
tính toán phạm vi bảo vệ.
+ Phạm vi bảo vệ của kim thu Prevectron được tính theo công thức:
Rp = √ h(2D - h) + [ΔL(2D + ΔL)] (với h>5m )
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
17
Trong đó : ΔL = 10
6
.ΔT , (m)
với ΔT : độ lợi về thời gian của từng đầu kim.
h : chiều cao thực kim thu tính từ mặt bằng bảo vệ .
D = 20m vơiù cấp bảo vệ cao nhất.
D = 45m với cấp bảo vệ trung bình.
D = 60m với cấp bảo vệ tiêu chuẩn.
nhỏ hơn từ tia tiên đạo đến điễm đang xét ) . Trong hình 20.1 một hình Parabol giới hạn được đặt
trên bán cầu. Đường Parabol này được hình thành trên các yếu tố vận tốc và hoàn chỉnh thể tích
thu (Collection Volume). Vậy chắn có sự tiếp nhận bởi một điểm liên hệ trên mặt đất
.
Hình 20.1
cũng cho thấy thể tích thu trở nên rộng hơn với sự tăng điện tích luồng có thể nói rằng luồng
phóng xuống đi vào một thể tích như thế thì về lý thuyết chắc phóng xuống. Có nghóa là dòng
điện sét càng lớn thể tích thu càng lớn. Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
18
Hình 20.1: Vùng thu sét,bán cầu được bao bởi một parabola giới hạn
chống sét cấp 2, 3 )
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
19
Gần đây, còn dùng một dây xuống có bọc cách điện (dây Ericore). Thuận lợi chính của
loại vật dẫn này cho phép người thiết kế hướng dòng sét đi vòng qua các vùng nhạy cảm, cáp
này có thể đi ngầm bên trong của kết cấu công trình. Trong hầu hết trường hợp chỉ cần một dây
dẫn xuống có bọc.
5 . Hệ thống nối đất:
5.1 .Nối đất chống sét
Thiết bò nối đất thường là các cọc, thanh bằng kim lọai hay băng đồng phẳng có hình
dạng và kích thước khác nhau chôn trong đất. Cọc thường được chế tạo bằng các loại thép ống,
thép tròn thép góc.Thanh được chế tạo bằng các băng thép dẹt, thép tròn .
Hệ thống nôí đất phải đãm bảo yêu cầu chi phí kim loại nhỏ nhất, bảo đảm độ bền cơ,
bảo đảm về chống ăn mòn khi đặt trong đất.
Có thể xử dụng các kết cấu kim loại của công trình để làm nối đất tự nhiên như móng ,
ống dẫn nước bằng kim loại chôn trong đất, vỏ cáp ngầm,...nhằm mục đích giảm gía thành xây
dựng hệ thống nối đất cho công trình.
Trò số điện trở nối đất càng bé tác dụng tản dòng điện sét càng cao. Đối với vùng đất có
độ dẫn điện
xấu có thể dùng muối, than để cải thiện độ dẩn điện của đất. Hiện nay người ta còn
dùng hóa chất cải tạo đất để làm giảm điện trở suất của đất.
Trong hệ thống nối đất còn có các bộ phận khác với mục đích kiểm tra và an toàn :
+ Nối kiểm tra : dùng để tách riêng dây dẫn xuống và hệ thống nối đất, nhờ đó có thể đo
chính xác điện trở hệ thống nối đất.
+ Hộp quan sát : dùng để kiểm tra sự kết nối giữa dây dẫn xuống và hệ thống nối đất.
I
= 0,1 đối với công trình có cấp an toàn cao nhất.
K
I
= 0,075 đối với công trình có cấp an toàn trung bình.
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
20
K
I
= 0,05 đối với công trình có cấp an toàn tiêu chuẩn.
+K
m
: là hệ số phụ thuộc vào vật liệu giữa dây dẫn sét và các phần kim loại nối đất liên
quan.
K
m
= 1 khi giữa chúng là không khí.
K
m
= 0,5 khi giữa chúng là vật liệu cứng (không phải là kim loại).
+l : là chiều dài dọc theo dây dẫn sét từ điểm tính khoảng cách đến điểm nối đẳng thế gần
đó nhất.
Chú ý:
- Khi phần kim loại bên cạnh hệ thống chống sét không nối đất thì không nhất thiết phải nối
đẳng thế chúng với dây dẫn sét.
- Trong trường hợp công trình có cấu trúc thép tăng cường hoặc hệ thống màn thép bao che
Không bảo vệ được cho các
vùng công cộng
Có mỹ quan Giống S3000 Không được mỹ quan do có
nhiều thanh trên mái nhà
Có nhiều hiệu quả vì sử
dụng công nghệ mới
Công nghệ lỗi thời, bò cấm
dùng
Kém hiệu quả do áp dụng
công nghệ có từ trước năm
1763
Chi phí thấp so với các hệ
thống bảo vệ khác
Chi phí vừa phải Rất đắt
Không có các phần động,
tuổi thọ không giới hạn
Có các phần động, có nguồn
cung cấp bên trong, có
nguồn phóng xạ, có các tụ
điện cần thay thế. Nếu
không bảo quản điện cực có
Tuổi thọ giới hạn do các
thành phần bò ăn mòn hoặc bò
phá hoại
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
21
trong điều kiện làm việc
Có thiết bò đếm sét Không có thiết bò đếm Không có thiết bò đếm
Mỗi dự án S3000 khách
hàng sử dụng một CAD
chương trình, nhờ đó việc
tính toán bán kính thu sét
của Dynasphere nhanh
chóng, dễ dàng, chính xác.
Khách hàng không có CAD
thiết kế. Các bán kính thu
sét hkông được chứng minh
bằng các số liệu khoa học
hoặc nghiên cứu.
Khách hàng không có CAD
chương trình để xác đònh sự
bố trí các điện cực và các
dây dẫn xuống. Thiết kế
bằng tay, mất thời gian và
đắt tiền
A. HỆ THỐNG CHỐNG SÉT SYSTEM 3000:
GLT(Global Lightning Technologies Pty.Ltd.) là công ty chuyên chế tạo các thiết bò
chống sét hàng đầu của c . GLT thành lập vào năm 1978 tiền thân là viện chống sét (LPI)
thành lập năm 1955
1. Những thành phần cơ bản của lắp đặt chống sét:
• Đầu thu sét: Đầu thu sét trên không có khả năng thu hút luồng sét về nó hơn là phần dễ bò
tấn công khác của kiến trúc cần bảo vệ. Vùng bảo vệ rộng thì cần đến nhiều đầu thu hơn.
• Dây thu lôi: Dây thu lôi dẫn dòng sét xuống đất mà không có nguy cơ phóng điện biên hay
điện hóa tòa nhà. Phóng điện biên là từ dùng mô tả dòng sét rời khỏi dây thu lôi và phóng
vào một vật ở cạnh đó.
• Tiếp đất: Hệ thống tiếp đất phải có trở kháng thấp đểï phân tán dòng sét được an toàn.
Mạng lưới tiếp đất thay đổi từ công trình này đến công trình khác tùy theo đòa hình của
công trình.Trong nhiều vùng có thể dùng cột đóng sâu cho một tiếp đất hiệu quả. Ở vùng
đất đá, ưu tiên dùng tiếp đất rẽ quạt.
2. Hệ thống chống sét 3000:
2.1. Giới thiệu hệ thống chống sét 3000:
Hệ thống chống sét S3000 là một tiến bộ trong việc phòng chống sét. Hệ thống được thiết
kế để thu sét từ một thể tích vùng thu được quyết đònh trước và dẫn dòng sét xuống đất một cách
an toàn.
Hệ thống chống sét gồm các bộ phận sau:
- Đầu thu sét Dynasphere: là điểm đầu tiên để bắt sét đánh vào cấu trúc mà nó bảo vệ.
Dynasphere hoàn toàn cách điện khỏi cấu trúc và được nối với dây thu lôi Ericore, để
cung cấp một hệ thống cách điện toàn diện.
- Thanh chống (kết cấu đỡ): dùng để gắn đầu Dynasphere và làm Dynasphere cách điện
khỏi cấu trúc.
- Dây dẫn xuống (ERICORE): tải điện xuống đất không làm điện hóa cấu trúc cần bảo vệ.
Việc này đảm bảo an toàn cho người và cho thiết bò. Dây dẫn loại bỏ rủi ro phóng điện biên vì
bộ phận truyền điện ở trung tâm được che chắn khỏi các vật khác.
- Thiết bò đếm sét : theo dỏi số lần đầu Dynasphere đã thu sét
Các thí nghiệm mô hình ( standler R “ Response of elevated conductors to lightning “ ms
thesis New Mexico Institute of technology april 1975 ) đưa ra nhận xét khoảng điện tích trên cột
nhọn làm cho sự phóng điện xuyên qua có thời gian trì hoãn lên đến 500μs. Điều này đưa đến sự
đề xuất dạng hình học của các đầu tiếp điện trên không có một hiệu quả quan trọng khi các điểm
cạnh tranh trên cấu trúc cũng cố gắng cho ra đồng thời một tia phóng lên. Các nghiên cứu từ
phòng thí nghiệm và hiện trường cho thấy điện trường trung gian giữa tia phóng xuống và mặt
đất khoảõng 500KV/m cần thiết cho tiến trình đi lên của tia phóng lên. Dòng đi lên mà cuối cùng
sẽ mở rộng đến tia tiên đạo hướng xuống đòi hỏi sự phát sinh điện trường gần bằng 3MV/m ở
một điểm trên mặt đất.
Thảo luận trên dẫn đến việc xem xét một đầu thu lý tưởng sẽ cực tiểu hóa corona ở chế
độ tónh (khi chưa có sự xuất hiện của tia tiên đạo) nhưng làm tăng sự tập trung điện trường trong
điều kiện động xảy ra trong khi có một tia phóng xuống làm cho nó có độ lợi thời gian tạo đường
dẫn chủ động về phía trên của đầu thu so với các loại kim thu sét thông thường trong cùng điều
kiện.
Ba điều kiện cơ bản phải đạt được với một đầu thu là:
- Cường độ điện trường của đầu thu : 3MV/m để phóng lên một dòng.
- Các điện tử tự do vượt mức 108electron / sec ở điểm nối đất để đảm bảo mở đầu “thác
điện tử”.
- Điện trường trung gian giữa đầu thu và điểm phóng xuống vượt mức 400KV/m để đảm
bảo sự tự kích ( Self Propagation) điểm phóng lên sau mở đầu thác.
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
24
ra các điện tử tự do và hiện tượng quang ion hóa giữa bề mặt quả cầu và mũi nhọn của cọc tiếp
đất.
-Vầng quang chỉ xảy ra khi có sự đến gần của tia chớp.Vầng quang không xảy ra do
trường tónh điện của cơn dông ở phía trên trừ khi có sự hoạt động của luồng điện phóng trong
vùng.
- Đầu thu không gây ra nhiễu sóng vô tuyến tần số cao, ngoại trừ khoảng miligiây sự tiến
đến của tia tiên đạo.
- Đầu thu không phóng xạ nên không cần xin giấy phép sử dụng.
- Hìng dạng bên ngoài của đầu thu nhằm giảm nhỏ sự hình thành vầng quang dưới trường
tónh điện của cơn dông.
- Đầu thu không cần pin hay nguồn cấp năng lượng nào bên ngoài cho bất kỳ bộ phận nào
của nó hoạt động. Đầu thu không chứa phần động.
- Đầu thu được làm bằng vật liệu không bò ăn mòn trong điều kiện khí quyển bình thường.
- Đầu thu được cách điện khỏi cấu trúc 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 phải được lắp đặt nghiêm ngặt theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
- Vùng bảo vệ được qui đònh bởi điện cực phải thích hợp với điểm sét đánh cho tất cả
các sét vượt quá biên độ của dòng điện sét xxKA theo mức bảo vệ yy . Thiết kế phải
Đồ n Tốt Nghiệp
______________________________________________________________________________________________________________________
25
tính toán đến sự phóng một tia đi lên của các điểm cạnh tranh (mũi nhọn, gỡ mái...) từ
công trình cần bảo vệ.
Bảng 1.2
kháng cao. Một khe phóng điện được hình thành do sự chênh
lệch thế giữa quả cầu và thanh. Tác động này làm thiết bò giải
phóng năng lượng đã tích luỹ dưới dạng ion, tạo ra mộït đường
dẫn tiên đạo về phía trên chủ động dẫn sét.
Hình 2.2
2.2.5. Nguyên lý xác đònh vùng bảo vệ :
Vùng bảo vệ được xây dựng từ một bán cầu phóng điện và một parabol giới hạn bán
cầu đó. Tùy theo mức độ bảo vệ công trình, tương ứng với điện lượng hay cường độ sét, mà ta
xác đònh được vùng bảo vệ khác nhau .
Kim thu sét Dynasphere được đặt trên công trình sao cho vùng bảo vệ của nó phủ
khắp vùng thu sét của các điểm cạnh tranh của cấu trúc ( đỉnh nhọn nhô ra, góc nhọn, gờ
mái,...) hay nói cách khác bán kính vùng bảo vệ R
bv
của Dynasphere phải bao trùm bán kính
vùng cạnh tranh R
ct
của các điểm cạnh tranh .
Bán kính vùng bảo vệ tùy thuộc vào độ cao công trình, độ cao thanh đỡ và mức độ bảo
vệ .
Bảng 2.2 :
Copyright: Tài liệu đại học ©