TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT VÀ CHỐNG SÉT Lắp đặt hệ thống kim thu sét hiện đại là điều cần thiết và rất quan trọng. Trong đó, kim thu sét phát tia tiên đạo được khuyến khích sử dụng hơn cả. Đó là bởi sự hiệu quả bảo vệ và an toàn khu vực khi lắp đặt thiết bị. Ngoài ra, việc thi công cọc tiếp địa cũng cần được chú trọng. Bởi đây là một trong những thành phần giúp tiêu hao năng lượng sét nhanh chóng. Hệ thống chống sét gồm có: Kim thu sét, Dây thoát sét, Hệ thống tiếp địa (cọc tiếp địa, cáp đồng thoát sét, phụ kiện chống sét). Trong phần này, ta sẽ tìm hiểu về các bộ phận chính của hệ thống chống sét sau: · Kim thu sét: Phần lớn chúng ta sử dụng kim thu sét cổ điển, có cấu tạo từ một thanh sắt vót nhọn đầu. Hệ thống chống sét trực tiếp này được sử dụng phổ biến với chi phí rẻ, hiệu quả tốt khi sét đánh xuống trực diện. Phương pháp này ứng dụng nhiều tại các nhà ở dân dụng, khu nhà ở thấp tầng. Kim thu sét tia tiên đạo sử dụng công nghệ mới. Chúng chủ động tạo ra tia tiên đạo định hướng và thu sét về đúng vị trí của nó. Phương pháp thu sét này hiệu quả và bảo vệ gần như tuyệt đối. Được ứng dụng trong nhiều tòa nhà cao tầng, chung cư để bảo vệ công trình hiệu quả nhất. Loại kim thu sét này ít được sử dụng tại khu dân sinh bởi chúng có giá thành khá cao. · Cọc tiếp địa: Hệ thống tiếp đất gồm các cọc tiếp địa liên kết với nhau. Cọc tiếp địa và hệ thống nối đất là những bộ phận không thể thiếu trong hệ thống chống sét này. Mỗi cọc dài 2.4m được chôn sâu dưới đất ở vị trí cách móng nhà 1 – 2m. Đồng thời độ sâu của rãnh ít nhất là 0.8m. Trong quá trình lắp đặt cọc tiếp địa, cần chú ý đến điện trở của đất nơi khi công. Nếu cần thiết thì phải dùng hóa chất giảm điện trở để đưa mức điện trở về ngưỡng an toàn. Trước khi tính toán nối đất, ta cần phân biệt nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo: · Nối đất tự nhiên là sử dụng các ống dẫn nước, các cọc sắt, các sàn sắt có sẵn trong đất. Hay sử dụng các kết cấu nhà cửa, các công trình có nối đất, các vỏ cáp trong đất ... làm điện cực nối đất. Khi xây dựng vật nối đất cần phải sử dụng, tận dụng các vật nối đất tự nhiên có sẵn. Điện trở nối đất của các vật nối đất tự nhiên được xác định bằng cách đo tại chổ hay có thể lấy theo các sách tham khảo. · Nối đất nhân tạo thường được thực hiện bằng các cọc thép tròn, thép góc, thép ống, thép dẹt ... dài 2 5m chôn sâu xuống đất sao cho đầu trên cùng của chúng cách mặt đất 0,5 0,8m. Kinh nghiệm cũng như tính toán cho thấy rằng điện trở nối đất giảm xuống khi tăng độ dài chôn sâu của vật nối đất (vì giảm ảnh hưởng của thời tiết) nhưng lúc chiều dài các cọc vượt quá 5m thì điện trở nối đất giảm xuống không rõ rệt. Đường kính hay bề dày của vật nối đất ảnh hưởng rất ít đến trị số điện trở của vật nối đất. Vì vậy các ống thép đặt trong đất phải có bề dày không được nhỏ hơn 3,5mm, các thanh thép dẹt không được nhỏ hơn 4mm và tiết diện nhỏ nhất không được bé hơn 48 để đảm bảo độ bền cơ học. Các cọc thép chôn thẳng đứng được nối với nhau bằng thanh thép nằm ngang (thường bằng thép dẹt). Dây nối đất (hay nối đất trung tính) phải có tiết diện thỏa mãn độ bền cơ khí và ổn định nhiệt, chịu được dòng điện cho phép lâu dài. Điện trở nối đất không được lớn hơn các trị số đã được quy định trong các quy phạm, thường thì điện trở nối đất phải ≤ 4Ω. Khi thực hiện bảo vệ nối đất thì tất cả các phần kim loại của các thiết bị điện, của các kết cấu kim loại (vỏ thiết bị, khung, bệ của các thiết bị phân phối điện ... ) mà có thể xuất hiện điện áp khi cách điện bị hư hỏng phải được nối một cách chắc chắn với hệ thống nối đất. Các mối nối của hệ thống nối đất tốt nhất nên thực hiện bằng cách hàn (có thể cho phép nối bằng bulông), mối thiết bị điện phải có một dây nối đất riêng, không cho phép dùng một dây nối đất chung cho nhiều thiết bị.
Trang 1TÍNH TOÁN NỐI ĐẤT VÀ CHỐNG SÉT
PHẦN LÝ THUYẾT
1 Đặt vấn đề:
Sét hay tia sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất hay giữa các đám mây mang các điện tích khác dấu đôi khi còn xuất hiện trong các trận phun trào núi lửa hay bão bụi.Sét đánh có thể sẽ phá hủy nhà cửa, công trình bằng dòng điện có điện áp lớn và truyền qua các vật có khả năng dẫn điện như: ống nước, ăng ten, thiết bị điện, dây dẫn điện,… Bởi tia sẽ có điện áp lớn sẽ sinh nhiệt lớn làm chảy, cháy, nổ vật dẫn đến làm hư hỏng hoặc gây hỏa hoạn
Các tòa nhà càng cao thì càng dễ thu hút sét đánh khi có hiện tượng mưa giông xảy ra Việc lắp đặt hệ thống chống sét cho những tòa nhà này rất quan trọng do với chiều cao này, tỉ lệ sét đánh trúng là rất lớn Hơn nữa việc sửa chữa, bảo dưỡng hay tu bổ hệ thống chống sét gặp nhiều khó khăn
Việc lắp đặt hệ thống nối đất chống sét sẽ dẫn truyền dòng sét xuống đất một cách nhanh chóng, an toàn thông qua một đường trở kháng thấp giúp bảo vệ công trình, tránh những thiệt hại do sét gây ra Hệ thống nối đất chống sét có thể giúp tiêu tán năng lượng quá điện áp xuống đất, làm cân bằng điện thế và đảm bảo an toàn cho người, thiết bị, hệ thống điện, viễn thông,…
Thông thường, cần đánh giá tiêu chuẩn của một hệ thống nối đất chống sét phải kể đến như: điện trở tiếp đất, quy mô nối đất, vật liệu tiếp địa,… Từ đó, hệ thống nối đất chống sét sẽ đạt được các tiêu chuẩn và phát huy được tối ưu hiệu quả sử dụng cho công trình
2 Phương án thực hiện:
Lắp đặt hệ thống kim thu sét hiện đại là điều cần thiết và rất quan trọng Trong đó, kim thu sét phát tia tiên đạo được khuyến khích sử dụng hơn cả Đó là bởi sự hiệu quả bảo vệ và an toàn khu vực khi lắp đặt thiết bị Ngoài ra, việc thi công cọc tiếp địa cũng cần được chú trọng Bởi đây là một trong những thành phần giúp tiêu hao năng lượng sét nhanh chóng Hệ thống chống sét gồm có: Kim thu sét, Dây thoát sét, Hệ thống tiếp địa (cọc tiếp địa, cáp đồng thoát sét, phụ kiện chống sét)
Trang 2Trong phần này, ta sẽ tìm hiểu về các bộ phận chính của hệ thống chống sét sau:
· Kim thu sét:
Phần lớn chúng ta sử dụng kim thu sét cổ điển, có cấu tạo từ một thanh sắt vót nhọn đầu Hệ thống chống sét trực tiếp này được sử dụng phổ biến với chi phí rẻ, hiệu quả tốt khi sét đánh xuống trực diện Phương pháp này ứng dụng nhiều tại các nhà ở dân dụng, khu nhà ở thấp tầng
Kim thu sét tia tiên đạo sử dụng công nghệ mới Chúng chủ động tạo ra tia tiên đạo định hướng và thu sét về đúng vị trí của nó Phương pháp thu sét này hiệu quả và bảo vệ gần như tuyệt đối Được ứng dụng trong nhiều tòa nhà cao tầng, chung cư
để bảo vệ công trình hiệu quả nhất Loại kim thu sét này ít được sử dụng tại khu dân sinh bởi chúng có giá thành khá cao
· Cọc tiếp địa:
Hệ thống tiếp đất gồm các cọc tiếp địa liên kết với nhau Cọc tiếp địa và hệ thống nối đất là những bộ phận không thể thiếu trong hệ thống chống sét này
Mỗi cọc dài 2.4m được chôn sâu dưới đất ở vị trí cách móng nhà 1 – 2m Đồng thời độ sâu của rãnh ít nhất là 0.8m Trong quá trình lắp đặt cọc tiếp địa, cần chú ý đến điện trở của đất nơi khi công Nếu cần thiết thì phải dùng hóa chất giảm điện trở để đưa mức điện trở về ngưỡng an toàn
Trước khi tính toán nối đất, ta cần phân biệt nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo:
· Nối đất tự nhiên là sử dụng các ống dẫn nước, các cọc sắt, các sàn sắt có sẵn trong đất Hay sử dụng các kết cấu nhà cửa, các công trình có nối đất, các vỏ cáp trong đất làm điện cực nối đất Khi xây dựng vật nối đất cần phải sử dụng, tận dụng các vật nối đất tự nhiên có sẵn Điện trở nối đất của các vật nối đất tự nhiên được xác định bằng cách đo tại chổ hay có thể lấy theo các sách tham khảo
· Nối đất nhân tạo thường được thực hiện bằng các cọc thép tròn, thép góc, thép ống, thép dẹt dài 2 -5m chôn sâu xuống đất sao cho đầu trên cùng của chúng cách mặt đất 0,5 - 0,8m
Kinh nghiệm cũng như tính toán cho thấy rằng điện trở nối đất giảm xuống khi tăng độ dài chôn sâu của vật nối đất (vì giảm ảnh hưởng của thời tiết) nhưng lúc chiều dài các cọc vượt quá 5m thì điện trở nối đất giảm xuống không rõ rệt Đường kính hay bề dày của vật nối đất ảnh hưởng rất ít đến trị số điện trở của vật nối đất
Vì vậy các ống thép đặt trong đất phải có bề dày không được nhỏ hơn 3,5mm, các
Trang 3thanh thép dẹt không được nhỏ hơn 4mm và tiết diện nhỏ nhất không được bé hơn
48 để đảm bảo độ bền cơ học Các cọc thép chôn thẳng đứng được nối với nhau bằng thanh thép nằm ngang (thường bằng thép dẹt) Dây nối đất (hay nối đất trung tính) phải có tiết diện thỏa mãn độ bền cơ khí và ổn định nhiệt, chịu được dòng điện cho phép lâu dài.Điện trở nối đất không được lớn hơn các trị số đã được quy định trong các quy phạm, thường thì điện trở nối đất phải ≤ 4Ω
Khi thực hiện bảo vệ nối đất thì tất cả các phần kim loại của các thiết bị điện, của các kết cấu kim loại (vỏ thiết bị, khung, bệ của các thiết bị phân phối điện ) mà
có thể xuất hiện điện áp khi cách điện bị hư hỏng phải được nối một cách chắc chắn với hệ thống nối đất Các mối nối của hệ thống nối đất tốt nhất nên thực hiện bằng cách hàn (có thể cho phép nối bằng bulông), mối thiết bị điện phải có một dây nối đất riêng, không cho phép dùng một dây nối đất chung cho nhiều thiết bị
Trang 4PHẦN TÍNH TOÁN
1 Thiết kế hệ thống chống sét cho tòa nhà:
1.1 Giới thiệu thiết bị thu sét tia tiên đạo bằng sáng chế Heslita-CNRS:
Để chọn thiết bị thu sét ta cần tính toán một số tiêu chuẩn sau:
Ta có công thức tiêu chuẩn
R p=√h (2 D−h )+∆ L.(2 D+∆ L)
Trong đó:
- R p: 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 Theo tiêu chuẩn chống sét NF C 17-102:
· D = 20m cho mức độ bảo vệ cấp I
· D = 30m cho mức độ bảo vệ cấp II
· D = 45m cho mức độ bảo vệ cấp III
· D = 60m cho mức độ bảo vệ cấp IV
- yL: Độ dài tia tiên đạo Pulsar phát ra và đo bằng mét (m), được tính theo công thức:
∆ L=V ∆ T
· yT: Thời gian phát tia tiên đạo Pulsar (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 m/ms
Từ công thức trên, có bảng tra bán kính bảo vệ của kim thu sét Pulsar trích từ Catalogue của hãng:
Trang 5Hình 1: Bảng tra bán kính bảo vệ của kim chống sét Pulsar
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, đầu kim này có cấu tạo như sau:
Hình 2: Cấu tạo kim sét Pulsar 18
Trang 6· Kẹp nối dây để đưa dây dẫn sét xuồng đất.
· Bầu hình trụ chứa thiết bị phát tia tiên đạo tạo đường dẫn sét chủ động
· Đầu kim dài 75cm, đường kính dài 18mm
· Đĩa kim loại với nhiều đường kính và độ dầy khác nhau tuỳ thuộc vào kiểu kim thu sét Pulsar
· Đường kính phía ngoài ống kim thu sét 300mm
1.3 Tổng quan về thống chống sét cho toà nhà:
Phương pháp chống sét cho các tòa nhà cao tầng là sử dụng thiết bị thu sét tia tiên đạo bằng sáng chế Helista - CNRS Phương pháp này ứng dụng công nghệ tiên tiến phát ra xung điện thế cao về phía trên liên tục chủ động dẫn sét, nghĩa 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 đồng thời dùng cáp đồng (25mm×3mm) để thoát sét Các cọc thép được đóng dưới đất có nhiệm vụ tiêu sét Điện trở nối đất chống sét yêu cầu cần phải ≤10 theo tiêu chuẩn TCVN 4756:1989 về Quy phạm nối đất và nối không các thiết bị điện của Bộ Xây Dựng Sau khi lắp đặt xong, kiểm tra nếu đạt được phạm vi cho phép là nhỏ hơn 10 thì mới tiến hành đóng cọc tiếp Tra Bảng 1 ở trên, ta có bán kính bảo vệ R p là 55m
2 Thiết kế hệ thống nối đất an toàn và nối đất chống sét cho tòa nhà:
2.1 Thiết kế hệ thống nối đất an toàn:
Theo quy định tại TCVN 4756:1989 về Quy phạm nối đất và nối không các thiết
bị điện, giá trị điện trở nối đất của hệ thống chống sét sẽ cần nhỏ hơn hoặc bằng giá trị yêu cầu là 4 R YC¿
Trang 7Đất tại khu vực tòa nhà thuộc loại đất đen, ta tiến hành tra bảng phụ lục B.11.3
trang 306 trong tài liệu Thiết kế cấp điện, thu được điện trở suất của đất là
ρ đất=2.10 4 (/cm)
Hình 3: Bảng tra điện trở suất của đất.
Do giá trị điện trở suất thay đổi theo mùa, do đó khi sử dụng công thức xác định điện trở nối đất, cần nhân giá trị điện trở suất của đất với hệ số thay đổi điện trở suất k (còn gọi là hệ số mùa) Ta chọn hệ số mùa theo bảng hệ số hiệu chỉnh điện
trở suất của đất k trong bảng phụ lục B.11.4 tài liệu Thiết kế cấp điện: k cọc=1,4 và
k thanh=1,6
Hình 4: Bảng tra hệ số điều chỉnh điện trở suất của đất.
Ta tiến hành dùng 30 cọc thép góc L có kích thước (63×63×6)mm dài 2,5m được đóng thẳng chìm sâu xuống đất cách mặt đất 0,7m
Tính được điện trở tản của từng cọc:
R 1 C=0,00298 ρđất k cọc=0.0298 2.104.1,4=83,44 (Ω)
Trang 8Các 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 (a: khoảng cách giữa các cọc, l: chiều dài cọc)
Tra bảng 3.8 trang 42 tài liệu An toàn điện, có hệ số sử dụng của cọc chôn thẳng
đứng là η c= 0,6 và hệ số sử dụng của thanh/dây nối các cọc là η th= ¿ 0,3
Hình 5: Bảng tra hệ số sử dụng cọc chôn thẳng đứng và của thanh/dây nối các
cọc.
Từ đó ta tính được điện trở tản của của 30 cọc:
R C= R 1C
n η c=
83,44 30.0,6=4,635(Ω)
Trang 9Chọn thanh thép dẹt có kích thước (40x4) mm, được chôn sâu 0,8 m và được nối thành vòng qua 30 cọc Như vậy, tổng chiều dài của các thanh nối nằm ngang L là:
l=5 30=150 (m) = 15000 (cm) Xét các đại lượng:
b: Bề rộng thanh nối - cm (thường lấy b = 4 cm)
t: Chiều sâu chôn thanh nối - cm (thường lấy t = 0,8 m = 80 cm)
Từ đó ta tính được điện trở tản của thanh nối:
R th= 0.366
l η th ρ đất k thanh log 2 l
2
b t=
0.366
15000 0,3 2.10
4
.1,6 log2.15000
2
4 80 ≈ 16(Ω)
Qua đó, ta tính được điện trở nối đất của hệ thống:
R HT= R C R th
R C+R th=
4,635.16 4,635+16=3,6 (Ω)
Như vậy, ta có:
R HT=3,6 Ω<RYC=4 Ω
Kết hợp với nối đất tự nhiên thì R HT sẽ càng nhỏ hơn giá trị 3,6 Ω Do đó, hệ thống nối đất đã thỏa mãn điều kiện an toàn theo quy định tại TCVN 4756:1989
2.2 Thiết kế hệ thống nối đất chống sét:
Như đã trình bày ở phần trên, điện trở nối đất của hệ thống sẽ phải nhỏ hơn điện trở yêu cầu là 10 Ω (R¿¿YC)¿
Đất tại khu vực tòa nhà thuộc loại đất đen, ta tiến hành tra bảng phụ lục B.11.3
trang 306 trong tài liệu Thiết kế cấp điện, thu được điện trở suất của đất là
ρ đất=2.104 (/cm)
Do giá trị điện trở suất thay đổi theo mùa, do đó khi sử dụng công thức xác định điện trở nối đất, cần nhân giá trị điện trở suất của đất với hệ số thay đổi điện trở suất k (còn gọi là hệ số mùa) Ta chọn hệ số mùa theo bảng hệ số hiệu chỉnh điện
trở suất của đất k trong bảng phụ lục B.11.4 tài liệu Thiết kế cấp điện: k cọc=1,4 và
k thanh=1,6
Trang 10Ta tiến hành dùng 15 cọc thép góc L có kích thước (63×63×6)mm dài 2,5m được đóng thẳng chìm sâu xuống đất cách mặt đất 0,7m
Tính được điện trở tản của từng cọc:
R 1 C=0,00298 ρđất k cọc=0,0298 2.10 4.1,4=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 (a: khoảng cách giữa các cọc, l: chiều dài cọc)
Tra bảng 3.8 trang 42 tài liệu An toàn điện, có hệ số sử dụng của cọc chôn thẳng
đứng là η c= 0,69 và hệ số sử dụng của thanh/dây nối các cọc là η th= ¿0,4
Từ đó ta tính được điện trở tản của của 15 cọc:
R C= R 1C
n η c=
83,44
15 0,69=8,06 (Ω)
Chọn thanh thép dẹt có kích thước (40x4) mm, được chôn sâu 0,8 m và được nối thành vòng qua 15 cọc Như vậy, tổng chiều dài của các thanh nối nằm ngang L là:
l =5 15=75 (m) = 7500 (cm) Xét các đại lượng:
b: Bề rộng thanh nối - cm (thường lấy b = 4cm)
t: Chiều sâu chôn thanh nối - cm (thường lấy t = 0,8 m = 80 cm)
Từ đó ta tính được điện trở tản của thanh nối:
R th= 0.366
l η th ρ đất k thanh log 2 l
2
b t=
0.366
7500 0,4.2 10
4
.1,6 log2 7500
2
4 80 ≈ 21.65(Ω)
Qua đó, ta tính được điện trở nối chống sét đất của hệ thống:
R HT= R C R th
R C+R th=
8,06 21,65 8,06+21,65=5,873(Ω)
Như vậy, ta có:
R HT=5,873 Ω< RYC=10 Ω
Trang 11Kết hợp với nối đất tự nhiên thì R HT sẽ càng nhỏ hơn giá trị 5,873 Ω Do đó, hệ thống nối đất chống sét đã thỏa mãn điều kiện an toàn theo quy định tại TCVN 4756:1989
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1] Thiết kế cấp điện,Vũ Văn Tẩm – Ngô Hồng Quang (2001), Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội
[2] Giáo trình An toàn điện – PGS.TS Quyền Huy Ánh (2011), Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
[3] Catalogue Thiết bị chống sét trực tiếp – Tia thu sét phát tia tiên đạo sớm
Helista Pulsar
[4] Hệ thống cung cấp điện của xí nghiệp công nghiệp đô thị và nhà cao tầng – Nguyễn Công Hiển (2001), Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội
[5] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4756:1989 về quy phạm nối đất và nối không các thiết bị điện, Bộ Xây Dựng