Biện pháp chống sét đánh trực tiếp

Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp và thiết bị phòng chống sét được áp dụng:

  • Trước hết là phương pháp dùng lồng Faraday – lồng kim loại bao kín khu vực bảo vệ. Theo lý thuyết sóng điện từ, đây là phương pháp lý tưởng để phòng chống sét. Phương pháp chống sét này được sử dụng bảo vệ một số khu vực đặc biệt như nơi chứa thuốc nổ, hạt nhân. Tuy nhiên, phương pháp này khá tốn kém và không khả thi khi áp dụng cho tất cả các công trình.
  • phương pháp chống sét truyền thống do Benjamin Franklin (1752) đề xuất sử dụng để bảo vệ nhà cửa thuyền bè.
  • Hệ phát xạ sớm, hệ ngăn chặn sét (hệ tiêu tán năng lượng sét),
  • Phương pháp hút sét bằng tia laser để chống sét cho các công trình hiện đại như kho chất nổ đạn dược, hạt nhân, các trung tâm máy tính quan trọng (trung tâm điều khiển bay, trung tâm điều hành mạng,…).

Dự báo dông sét sớm nhờ vào các thiết bị hiện đại như ra đa, vệ tinh, các hệ thống định vị phóng điện.

1. Phương pháp chống sét truyền thống do Benjamin Franklin phát minh

Thiết kế: Cột chống sét theo pháp dùng kim cổ điển Franklin.

Cấu tạo:

Hình 1. Phương pháp chống sét Benjamin Franklin.

  • Kim chống sét: là điểm đầu tiên tiếp nhận tia sét. Tùy vào yêu cầu của từng công trình cụ thể ta sẽ chọn loại kim phù hợp. Trên thị trường có nhiều loại kim thu sét phóng điện sớm của các hãng như Ingesco, Liva, LPI,…

Hình 2. Kim chống sét.

  • Dây dẫn sét có tác dụng chuyển tải dòng sét xuống đất dễ dàng và phải chịu được nhiệt độ phát nóng cục bộ để không bị biến dạng. Ta có thể chọn cáp đồng thoát sét loại có tiết diện 50mm² trở lên hoặc cáp thoát sét chống nhiễu chuyên dụng.

Hình 3. Dây nối đất.

  • Hệ thống nối đất đóng vai trò rất quan trọng trong việc trung hòa dòng sét, đảm bảo hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống sét. Các thiết bị của hệ thống nồi đất bao gồm các cọc nối đất bằng thép bọc đồng, cáp đồng thoát sét và hóa chất làm giảm điện trở đất. Để kết nối các cọc đồng tiếp đất và dây đồng trần thoát sét, ta sử dụng các mối hàn hóa nhiệt. Mối hàn này có tác dụng dẫn dòng điện (tốt hơn cả dây dẫn), không bị lão hóa, bị ăn mòn trong một thời gian dài. Hóa chất làm giảm điện trở được pha trộn lẫn nhau trong nước và đổ lên vùng chôn các điện cực để tạo ra một lớp khô cứng đồng nhất. Lớp hóa chất này sẽ có tác dụng làm giảm thấp điện trở hệ thống tiếp đất; không bị rửa trôi và bền vững (không đòi hỏi phải bảo trì) trong nhiều năm; giúp hệ thống cọc tiếp đất chống lại sự ăn mòn của môi trường tự nhiên. Sử dụng hóa chất giảm điện trở đất và hàn hóa nhiệt, các hệ thống tiếp đất chống sét phải đảm bảo yếu tố có tổng trở nhỏ hơn 10 đối với chống sét trực tiếp và nhỏ hơn 4 Ohm đối với chống sét lan truyền.

Ngoài các thành phần như trên, một hệ thống chống sét trực tiếp có thể trang bị thêm các thiết bị đếm sét và hộp kiểm tra điện trở.

2. Phạm vi bảo vệ của hệ thống chống sét

Tùy vào mỗi loại thiết kế mà sẽ có nhiều khả năng bảo vệ khác nhau:

Hình 4. Phạm vi bảo vệ của  cột chống sét đơn.

Theo lý thuyết của Benjamin Franklin, phạm vi bảo vệ của một kim thu lôi độc lập là phần không gian nằm bên trong mặt tròn xoay quanh trục là kim thu lôi chiều cao H, tạo bởi đường sinh là đường cong có phương trình là:

với p = 1,0 khi 0 ≤ hx ≤ H ≤ 30,0 (m) và p =  khi H > 30 (m).

Trong đó:

  • hxvà rx là cao độ và bán kính đường tròn trên mặt chiếu bằng tâm là kim thu lôi, của từng điểm x trên đường sinh.

Lý thuyết hiện đại, lấy gần đúng đường sinh tạo thành phạm vi bảo vệ của kim thu lôi, là đường thẳng (TCXDVN 46:2007) hay đường thẳng gãy khúc (TCXD

46:1984). Tiêu chuẩn thiết kế chống sét Việt Nam TCXD 46:1984, coi đường sinh phạm vi bảo vệ cột thu lôi độc lập là đường gãy khúc có phương trình là:

                  rx = 1,50(H – 1,25hx); với 0 ≤ hx ≤ 0,667H, góc bảo vệ là 56,310o

                  rx = 0,75(H – 1,00x); với 0,667H ≤ hx ≤H, góc bảo vệ là 36,870o

Tiêu chuẩn thiết kế chống sét Việt Nam TCXDVN 46:2007, coi đường sinh phạm vi bảo vệ cột thu lôi độc lập là đường thẳng nghiêng với phương thẳng đứng của kim một góc bảo vệ là 45o. Tiêu chuẩn TCVN 46:2007, xem xét tới diện tích mặt bằng phạm vi bảo vệ ở cao độ chân cột thu lôi (có thể ở cốt nền mặt đất hoặc có thể là mái công trình).

Nếu so sánh trên cùng một diện tích hình tròn mặt bằng phạm vi bảo vệ ở cao độ chân cột thu lôi, của các trường hợp áp dụng TCXD 46:1984 và TCXDVN 46:2007 và tiêu chuẩn TCVN 9385-2012 với nhau, thì chiều cao yêu cầu của cột thu lôi độc lập theo tiêu chuẩn TCXDVN 46:2007 và tiêu chuẩn TCVN 9385-2012 là Hc, cao gấp rưỡi chiều cao cột yêu cầu theo tiêu chuẩn 1984 là H, (Hc=1,5H). Như vậy, để bảo vệ chống sét cho cùng một diện tích mặt bằng chân cột thu lôi đơn, thì tiêu chuẩn TCXDVN 46:2007 và tiêu chuẩn TCVN 9385-2012, yêu cầu an toàn hơn.

Hình 5. Phạm vi bảo vệ của 2 cột chống sét cao bằng nhau.

Theo TCXD 46:1984, khi hai kim thu lôi cao bằng nhau, đặt cách nhau một khoảng cách đủ nhỏ (nhỏ hơn giới hạn được xác định bên dưới), nhưng có thể vẫn lớn hơn đường kính hình tròn mặt bằng phạm vi bảo tại chân cột (bằng 3H), thì ngoài các phạm vi bảo vệ hình nón quanh từng cột (giống như cột độc lập), ở giữa khoảng 2 cột phạm vi bảo vệ còn được mở rộng tạo thành vùng phạm vi bảo vệ kết hợp là không gian nằm bên dưới một mặt bậc hai có dạng yên ngựa. Đường sinh trên mặt đứng đi qua trục nối 2 cột, của mặt cong yên ngựa này được lấy là đường cung tròn có tâm nằm trên trung trực của khoảng cách hai cột trên mặt bằng, và nằm ở cao độ 4H (4 lần chiều cao cột thu lôi). Theo tiêu chuẩn TCXD 46:1984, đường sinh trên mặt đứng đi qua trục nối 2 cột, của mặt cong yên ngựa (hyperbolic paraboloid) này được lấy là đường cung tròn bán kính R, có tâm nằm trên đường trung trực của khoảng cách hai cột trên mặt bằng A, và nằm ở cao độ 4H (4 lần chiều cao cột thu lôi). Điểm thấp nhất của đường sinh này, nằm tại trung điểm khoảng cách 2 cột trên mặt bằng A, có cao độ ho được xác định là:  

Với A là khoảng cách 2 cột trên mặt bằng. Khoảng cách A càng lớn ho càng nhỏ (khi ho = 0 thì 2 cột trở về trường hợp độc lập không còn tạo thành hệ kết hợp nữa). Do đó, điều kiện để hai cột bằng nhau kết hợp bảo vệ là:

Tiêu chuẩn TCXDVN 46:2007 lấy đường sinh trên là đường thẳng gãy khúc, hợp bởi góc bảo vệ 60o từ đỉnh mỗi cột, vào bên trong khoảng 2 cột.

Do đó, điều kiện để 2 cột bằng nhau kết hợp bảo vệ theo tiêu chuẩn 2007, là A ≤ 3,4641Hc

(và nếu lấy chiều cao cột thu lôi theo tiêu chuẩn TCXDVN 46:2007 gấp rưỡi chiều cao cột theo tiêu chuẩn 1984, (Hc=1,5H), thì: A ≤ 5,196H = 3,464Hc).

Phạm vi bảo vệ kết hợp bên trong giữa hai cột mặc dù được giới hạn bởi mặt bậc hai, nhưng trong các tiêu chuẩn chống sét 1984 và 2007 đều coi gần đúng giao tuyến của mặt cong này với mặt bằng cao độ chân cột là đường thẳng gấp khúc đối xứng vơi nhau qua trục nối hai cột và qua đường trung trực của trục này. Các đường thẳng này tạo thành vùng diện tích mặt bằng bảo vệ kết hợp ở chân cột thu lôi, mở rộng và nối liền hai diện tích hình tròn phạm vị bảo vệ tại chân mỗi cột với nhau, trong khoảng giữa hai cột. Phương trình của các đoạn thẳng biên được xác định là:

Với 0 ≤ x ≤A/2

Trong đó:

  • bxlà bán kính (hay bề rộng) phạm vi bảo vệ kết hợp trong khoảng giữa 2 cột tại cao độ chân cột về mỗi phía của trục 2 cột (bx tại tâm chân cột bằng 1,5H, và tại điểm giữa khoảng cách 2 chân cột bằng 1,5ho).

Tiêu chuẩn chống sét mới nhất là TCVN 9385-2012 kế thừa TCXDVN 46:2007 và bổ sung điều kiện áp dụng vùng bảo vệ và góc bảo vệ nghiêm ngặt hơn cho tiêu chuẩn TCXDVN 46:2007.

Hình 6. Phạm vi bảo vệ của 2 cột chống sét không bằng nhau.

3. Bảo vệ bằng cột thu sét sử dụng đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE: Early Streamer Emission)

3.1. Cách lắp đặt

Đầu ESE có thể được lắp đặt trên cột độc lập hoặc trên kết cấu công trình được bảo vệ, sao cho đỉnh kim cao hơn các độ cao cần bảo vệ.

Hình 7. Bảo vệ bằng cột thu sét sử dụng đầu thu sét phát tia tiên đạo sớm.

3.2. Nguyên lý hoạt động

ESE hoạt động dựa trên nguyên lý làm thay đổi trường điện từ chung quanh cấu trúc cần bảo vệ thông qua việc sử dụng vật liệu áp điện (piezoelectric) (theo thiết kế Franklin France). Cấu trúc đặt biệt của ESE tạo sự gia tăng cường độ điện trường tại chỗ, tạo thời điểm kích hoạt sớm, tăng khả năng phát xạ ion, nhờ đó tạo được những điều kiện lí tưởng cho việc phát triển phóng điện sét.

3.3. Cấu tạo ESE

  • Đầu thu có hệ thống thông gió nhằm tạo dòng lưu chuyển không khí giữa đỉnh và thân ESE. Đầu thu còn làm nhiệm vụ bảo vệ thân kim.
  • Thân kim: được làm bằng đồng xử lý hoặc inox, phía trên có một hoặc nhiều đầu nhọn làm nhiệm vụ phát xạ ion. Các đầu này được làm bằng thép không gỉ và được luồn trong ống cách điện nối tới các điện cực của bộ kích thích. Thân kim luôn được nối với điện cực nối đất chống sét.
  • Bộ kích thích áp điện: được làm bằng ceramic áp điện (piezoelectric ceramic) đặt phía dưới thân kim, trong một ngăn cách điện, nối với các đỉnh nhọn phát xạ ion đã nêu trên bằng cáp cách điện cao áp.
  • Vật liệu piezoelectric: Đây là những cấu trúc tinh thể, trong đó các lưỡng cực điện đã làm tăng áp lực theo một hướng định trước bằng cách tạo cho chúng một trường phân cực ban đầu có cường độ cao. Vật liệu được sử dụng là zỉrrcotitanate chì, rất cứng, đầu kim được phủ một lớp điện cực nickel. Các vật liệu này được chế tạo thành nhiều đoạn nối tiếp, với đặt tính áp điện của chúng các ceramic tạo ra điện áp rất cao, lên đến 20kV tới 25kV trên nhiều đoạn nối tiếp nhau. Mức điện áp cao này đảm bảo đủ điều kiện để tạo các io như mong muốn.
  • Sự kích thích áp điện: Khi xuất hiện đám mây going mang điện tích, điện trường khí quyển ở trạng thái tĩnh, kết hợp với hiện tượng cộng hưởng xảy ra trong bản thân kim ESE, do áp lực được tạo trước, trong bộ kích thích sẽ sinh ra những áp lực biến đổi ngược nhau. Kết quả là tại các đầu nhọn phát xạ ion sẽ tạo ra điện thế cao, do đó, tại đây sinh ra một lượng lớn ion (7.65.1010 ở mức điện áp 2,5 đến 6,5kV). Những ion này ion hóa dòng khí quyển xung quanh và phía trên đầu thu nhờ hệ thống lưu chuyển không khí gắn trong đầu thu. Điều này giúp làm giảm điện áp ngưỡng phóng điện đồng thời làm gia tăng vận tốc phóng điện corona.
  • Điểm thu sớm nhất: Khả năng gia tăng sự kích thích ở trường tĩnh điện thấp (khả năng phát xạ sớm) tăng cường khả năng thu của kim sét. Nhờ đó nó trở thành điểm thu sớm nhất so với các điểm khác của tòa nhà cần bảo vệ. Các kim thu sét này hoạt động ngay cả với dòng sét có cường độ thấp (2 kA đến 5kA ứng với các khoảng cách kích hoạt D nhỏ D = 10I2/3; I: trị đỉnh dòng sét tính bằng kA).
  • Vùng bảo vệ: Vùng bảo vệ của ESE là một hình nón có đỉnh là đầu kim thu sét, bán kính bảo vệ Rp(m) = f (khoảng cách kích hoạt sớm trung bình ∆L(m) của kim thu sét, khoảng cách kích hoạt D(m) tùy theo mức độ bảo vệ).

Hình 8. Kim thu sét phóng điện sớm

Công thức tính bán kính bảo vệ Rp của đầu thu sét ESE, áp dụng khi h ≥ 5m theo tiêu chuẩn NF-C 17 102  của Pháp:      D(m) phụ thuộc cấp bảo vệ I, II, III

h – chiều cao đầu thu sét tính tù đỉnh kim đến bề mặt được bảo vệ.

∆L(m) – độ lợi về khoảng cách phóng tia tiên đạo

Bảng 5.1. Bán kính bảo vệ của đầu thu sét hiệu Saint-Elmo

Rp(m)

SE 6-∆L = 15m

SE 9-∆L = 3m

SE12-∆L=45m

SE15-∆L=50m

Cấp    bảo     vệ

h(m)

I

D=(20m)

II

D=(45m)

III

D=(60m)

I

II

III

I

II

III

I

II

III

2

13

18

20

19

25

28

25

32

36

31

39

43

4

25

36

41

38

51

57

51

65

72

63

78

85

6

32

46

52

48

64

72

63

81

90

79

97

107

8

33

47

54

49

65

73

64

82

91

79

98

108

10

34

49

56

49

66

75

64

83

92

79

99

109

20

35

55

63

50

71

81

65

86

97

80

102

113

30

35

58

69

50

73

85

65

89

101

80

104

116

60

35

60

75

50

75

90

65

90

105

80

105

120

BÁN KÍNH BẢO VỆ (M) – (RP)

 

Độ cao h(m) của kim Stormaster trên vùng được bảo vệ

2

4

5

6

10

15

20

45

60

 

Cấp 1 – Cấp cao nhất

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Stormaster 15

13

25

32

32

33

34

35

35

35

 

Stormaster 30

19

28

48

48

49

50

50

50

50

 

Stormaster 50

28

55

68

69

69

70

70

70

70

 

Stormaster 60

32

64

79

79

79

80

80

80

80

 

Cấp 2 – Cấp bảo vệ cao

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Stormaster 15

18

36

45

46

49

52

55

60

60

 

Stormaster 30

25

50

63

64

66

68

71

75

75

 

Stormaster 50

35

69

86

87

88

90

92

95

95

 

Stormaster 60

40

78

97

97

99

101

102

105

105

 

Cấp 3 – Cấp tiêu chuẩn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Stormaster 15

20

41

51

52

56

60

63

73

75

 

Stormaster 30

28

57

71

72

75

77

81

89

90

 

Stormaster 50

38

76

95

96

98

100

102

110

110

 

Stormaster 60

44

87

107

107

109

111

113

120

120

 

 ∆L = v. ∆T;     ∆T(μs) độ lợi về thời gian

Số liệu của đầu thu sét Stormaster

Chú ý: hệ thống bảo vệ sử dụng đầu thu sét ESE không được áp dụng theo tiêu chuẩn NFPA của Mỹ (US Nation Fire Protection Asscoction), IEEE, IEC và một số tiêu chuẩn khác.

error: Real Group - Efficiency Projects