MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii MỤC LỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG vii BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2 1.1. Mục tiêu 2 1.2. Tổng quan về hiện tượng giông sét 3 1.3. Cơ chế hình thành sét 4 1.4. Phân loại sét 6 1.4.1. Sét trong đám mây (Intra-cloud lightning – IC) 6 1.4.2. Sét giữa các đám mây (Inter-cloud lightning – CC) 7 1.4.3. Sét từ mây xuống đất (Cloud-to-ground lightning – CG) 7 1.4.4. Sét từ đất lên mây (Ground-to-cloud lightning – GC) 7 1.4.5. Sét cảm ứng (Induced or secondary lightning) 7 1.4.6. Sét chuỗi (Multiple stroke lightning) 7 1.4.7. Sét dải rộng (Ribbon lightning) 8 1.5. Tác hại của sét 8 1.6. Các phương pháp chống sét hiện nay 10 1.6.1 Hệ thống chống sét trực tiếp 11 1.6.2. Hệ thống chống sét lan truyền 12 1.7. Tiêu chuẩn áp dụng trong thiết kế chống sét 14 1.7.1. TCVN 9385:2012 – Hệ thống chống sét cho công trình xây dựng 14 1.7.2. TCVN 9386:2012 – Bảo vệ thiết bị điện và điện tử 15 1.7.3. IEC 62305 (Parts 1–4) – Tiêu chuẩn quốc tế về bảo vệ chống sét toàn diện 15 1.7.4. NF C 17-102 – Tiêu chuẩn Pháp về kim thu sét sớm (ESE) 17 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT TRỰC TIẾP 19 2.1. Cơ sở thiết kế 19 2.1.1. Các tiêu chuẩn áp dụng 19 2.1.2. Các yếu tố kỹ thuật làm cơ sở thiết kế 20 2.2. Thông tin công trình 21 2.2.1. Tên và vị trí công trình 21 2.2.2. Quy mô và kích thước công trình 22 2.2.3. Kết cấu và hình dạng kiến trúc 22 2.2.4. Đặc điểm sử dụng và yêu cầu bảo vệ 23 2.2.5. Điều kiện môi trường xung quanh 23 2.3. Lựa chọn cấp bảo vệ 23 2.3.1. Cơ sở lựa chọn cấp bảo vệ 23 2.3.2. Đặc điểm của cấp bảo vệ III 24 2.3.3. Ý nghĩa thiết kế 25 2.4. Xác định số lượng và vị trí kim thu sét 26 2.4.1. Phương pháp sử dụng: Vùng bảo vệ hình chóp (Protection Angle Method) 26 2.4.2. Công thức tính bán kính vùng bảo vệ R 27 2.4.3. Áp dụng vào công trình thực tế 28 2.4.4. Đánh giá vùng cần bảo vệ 28 2.4.5. Sơ đồ bố trí kim thu sét 29 2.5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống chống sét 29 2.6. Dây dẫn sét 30 2.6.1. Vật liệu và tiết diện dây dẫn 31 2.6.2. Quy tắc bố trí dây dẫn sét 32 2.6.3. Yêu cầu kỹ thuật khi lắp đặt dây dẫn sét 33 2.6.4. Kết luận thiết kế dây dẫn sét 34 2.7. Hệ thống tiếp địa 34 2.7.1. Loại tiếp địa sử dụng 35 2.7.2. Cấu tạo hệ thống tiếp địa nhân tạo 36 2.7.3. Yêu cầu kỹ thuật 37 2.8. Kiểm tra điện trở nối đất 38 2.8.1. Tiêu chuẩn yêu cầu 38 2.8.2. Phương pháp đo điện trở nối đất 39 2.8.3. Quy trình đo thực tế 40 2.8.4. Kết quả đo tại công trình 41 Kết luận chương 42 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TIẾP ĐỊA 43 3.1. Mục đích của hệ thống tiếp địa 43 3.1.1. Dẫn dòng sét từ trên cao xuống đất một cách an toàn 43 3.1.2. Phân tán dòng điện sét ra môi trường xung quanh 44 3.1.3. Bảo vệ thiết bị điện, con người và kết cấu công trình 44 3.1.4. Tạo liên kết đẳng thế trong toàn bộ hệ thống 45 3.2. Cấu tạo hệ thống tiếp địa 45 3.3. Lựa chọn sơ đồ tiếp địa 46 3.3.1. Sơ đồ tiếp địa dạng vòng 46 3.3.2. Sơ đồ tiếp địa dạng lưới 47 3.3.3. Sơ đồ tiếp địa dạng tia 47 3.3.4. Lựa chọn sơ đồ cho tòa nhà C1 47 3.4. Tính toán điện trở nối đất 48 3.4.1. Công thức tính điện trở nối đất cho hệ thống nhiều cọc 48 3.4.2. Tính toán áp dụng cho toà nhà C1 49 3.5. Phương án giảm điện trở tiếp địa 49 3.6. Thi công và kiểm tra hệ thống tiếp địa 50 3.6.1. Thi công hệ thống tiếp địa 50 3.6.2. Kiểm tra điện trở nối đất sau thi công 53 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 59 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Quá trình hình thành sét 5 Hình 1.2. Các loại sét 7 Hình 1.3. Hậu quả của sét 9 Hình 1.4. Cơ bản về hoạt động của hệ thống chống 10 Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý kim thu sét kiểu 13 Hình 2.1. Toà nhà C1 20 Hình 2.2. Bố trí kim thu sét 28 Hình 2.3. Hệ thống cơ bản chống sét 29 Hình 2.4. Đi dây từ mái xuống đất 33 Hình 2.5. Hình ảnh mô phỏng cách đo 39 Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống tiếp địa 44 Hình 3.2. Chi tiết bày trí cọc tiếp địa của 1 kim thu sét 49 Hình 3.3. Chi tiết cọc tiếp địa 50 Hình 3.4. Chi tiết mối nối 50 Hình 3.5. Chi tiết đường đi của dây 51 Hình 3.6. Chi tiết hộp kiểm tra 52 Hình 3.7. Biên bản kết quả đo 54 Hình 3.8. Hệ thống tiếp địa 56 Hình 3.9. Hệ thống thu sét 57 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Thông số kĩ thuật theo Cấp bảo vệ III (theo TCVN 9385 / IEC 62305) 23 Bảng 2.2. Yêu cầu lắp đặt kĩ thuật 32 Bảng 2.3. Cấu tạo hệ thống tiếp địa nhân tạo 36 Bảng 2.4. Tiêu chuẩn yêu cầu giá trị điện trở nối đất 38 Bảng 2.5. kết quả đo công trình 40 BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT STT Ký hiệu/Viết tắt Ý nghĩa 1 ĐH CNTT&TT Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông 2 CN KTĐ ĐT Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử 3 CĐS Chống sét 4 ESE Early Streamer Emission – Kim thu sét phát tia tiên đạo sớm 5 SPD Surge Protective Device – Thiết bị chống sét lan truyền 6 LPS Lightning Protection System – Hệ thống chống sét trực tiếp 7 LPL Lightning Protection Level – Cấp bảo vệ chống sét 8 EMZ Electromagnetic Zone – Vùng điện từ 9 IEC International Electrotechnical Commission – Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế 10 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 11 NF C 17-102 Tiêu chuẩn Pháp về kim thu sét sớm 12 CG Cloud-to-Ground lightning – Sét từ mây xuống đất 13 GC Ground-to-Cloud lightning – Sét từ đất lên mây 14 IC Intra-cloud lightning – Sét trong đám mây 15 CC Inter-cloud lightning – Sét giữa các đám mây 16 GEM Ground Enhancing Material – Vật liệu tăng cường tiếp địa 17 BMS Building Management System – Hệ thống quản lý tòa nhà 18 PLC Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic lập trình 19 R Điện trở nối đất (Ω) 20 Imax Dòng sét cực đại giả định (kA) 21 ΔT Thời gian phát tia tiên đạo sớm (trong kim ESE) LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học – kỹ thuật và công nghệ hiện đại, các công trình dân dụng và công nghiệp ngày càng được xây dựng với quy mô lớn, kiến trúc phức tạp và có giá trị đầu tư cao. Tuy nhiên, đi kèm với đó là những rủi ro tiềm ẩn từ thiên nhiên, đặc biệt là hiện tượng sét đánh – một trong những nguyên nhân gây thiệt hại nghiêm trọng về người, tài sản và hệ thống thiết bị điện – điện tử. Sét là hiện tượng tự nhiên không thể ngăn chặn, nhưng hoàn toàn có thể chủ động phòng ngừa và giảm thiểu thiệt hại thông qua các biện pháp kỹ thuật. Việc thiết kế và lắp đặt hệ thống chống sét đạt chuẩn không chỉ giúp bảo vệ an toàn cho công trình và con người mà còn là yêu cầu bắt buộc trong các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy định của pháp luật Việt Nam hiện hành. Trước yêu cầu cấp thiết đó, em đã chọn đề tài “Thiết kế hệ thống chống sét cho tòa nhà 5 tầng” làm khóa luận tốt nghiệp. Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng sét, các phương pháp chống sét hiện nay và tiến hành tính toán – thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp và chống sét lan truyền phù hợp với thực tế của công trình. Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã vận dụng các kiến thức đã học trong suốt quá trình học tập tại trường, kết hợp với khảo sát thực tế, tra cứu tiêu chuẩn và ứng dụng phần mềm hỗ trợ kỹ thuật để hoàn thiện bản thiết kế đạt yêu cầu kỹ thuật, an toàn và tính thực tiễn cao. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế, chắc chắn đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót. Em kính mong nhận được sự góp ý, hướng dẫn của quý thầy cô để hoàn thiện tốt hơn trong thời gian tới. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của cô Vũ Thị Oanh, cùng sự hỗ trợ của các thầy cô trong khoa và Ban giám hiệu nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa luận này. CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1. Mục tiêu Chương đầu tiên của báo cáo này có mục tiêu đặt nền móng lý thuyết vững chắc cho toàn bộ quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống chống sét cho công trình dân dụng. Cụ thể, chương sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện và có hệ thống về hiện tượng giông sét – một hiện tượng tự nhiên phức tạp và tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây hư hại đến con người, thiết bị điện tử và các kết cấu hạ tầng xây dựng. Việc hiểu rõ về bản chất vật lý của hiện tượng này, bao gồm cơ chế hình thành, sự di chuyển của điện tích trong khí quyển, quá trình phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây hoặc từ đám mây xuống mặt đất, là bước khởi đầu cần thiết để nhận diện đúng các nguy cơ tiềm ẩn và từ đó đưa ra giải pháp thiết kế phù hợp. Một trong những nội dung trọng tâm của chương là việc phân loại các dạng sét thường gặp, chẳng hạn như sét đánh trực tiếp, sét đánh lan truyền, và sét cảm ứng. Mỗi loại sét mang đặc điểm riêng biệt và cơ chế tác động khác nhau đến các đối tượng trên mặt đất. Việc phân tích các dạng này không chỉ giúp nhận diện đúng nguy cơ mà còn là cơ sở để lựa chọn phương pháp chống sét hiệu quả, đảm bảo khả năng ứng phó phù hợp với điều kiện thực tế tại công trình được nghiên cứu. Ngoài ra, chương cũng sẽ đề cập một cách chi tiết đến các phương pháp chống sét đang được ứng dụng phổ biến hiện nay, bao gồm cả hệ thống chống sét trực tiếp (dùng kim thu sét, dây dẫn sét, hệ thống thoát sét) và hệ thống chống sét lan truyền (bảo vệ bên trong, thiết bị chống sét lan truyền SPD). Thông qua việc phân tích ưu điểm và giới hạn của từng phương pháp, người đọc có thể hình dung được tính linh hoạt và yêu cầu kỹ thuật khi triển khai trong thực tế, đặc biệt là với những công trình có vị trí cao tầng, nằm trong khu vực có mật độ giông sét lớn như tòa nhà C1 – Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông. Một phần không thể thiếu trong chương là việc trình bày rõ ràng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và Việt Nam được áp dụng trong thiết kế hệ thống chống sét, như TCVN 9385:2012, IEC 62305, hoặc các tiêu chuẩn khác có liên quan. Việc nghiên cứu kỹ các tiêu chuẩn này không chỉ giúp đảm bảo tính hợp lệ về mặt pháp lý khi thiết kế và thi công, mà còn đóng vai trò như một tài liệu tham chiếu quan trọng trong việc lựa chọn cấu hình hệ thống, tính toán bán kính bảo vệ, xác định vị trí đặt kim thu sét, dây dẫn sét và điện trở tiếp đất đạt yêu cầu an toàn. Tất cả những kiến thức được trình bày trong chương này sẽ đóng vai trò là cơ sở lý thuyết để tiến hành phân tích, thiết kế và tính toán hệ thống chống sét cụ thể cho công trình tòa nhà C1. Những nguyên lý kỹ thuật và căn cứ tiêu chuẩn sẽ xuyên suốt trong toàn bộ báo cáo nhằm đảm bảo rằng hệ thống thiết kế không chỉ mang tính thực tiễn mà còn đạt hiệu quả bảo vệ tối đa, đáp ứng yêu cầu vận hành an toàn, bền vững, đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư cho nhà trường và đơn vị quản lý vận hành công trình. 1.2. Tổng quan về hiện tượng giông sét Giông sét là một hiện tượng khí tượng – điện lý tự nhiên đặc trưng, xảy ra khi có sự tích tụ và tương tác mạnh mẽ giữa các đám mây đối lưu và các tầng khí quyển trong điều kiện thời tiết bất ổn định. Quá trình này thường diễn ra trong các đám mây vũ tích (cumulonimbus), nơi xuất hiện sự va chạm giữa các luồng không khí nóng ẩm và lạnh khô. Khi các phân tử nước và tinh thể băng trong đám mây ma sát và va chạm ở quy mô lớn, chúng tạo ra sự phân chia điện tích. Kết quả là điện tích dương chủ yếu tập trung ở phần trên của đám mây, trong khi phần dưới của đám mây lại tích tụ điện tích âm. Đồng thời, bề mặt Trái Đất bên dưới khu vực đám mây bị ảnh hưởng cũng bị cảm ứng tích điện dương do hiện tượng điện trường. Khi sự chênh lệch điện thế giữa các vùng điện tích đạt đến một ngưỡng nhất định – thường lên tới hàng trăm triệu volt – điện môi của không khí bị phá vỡ, khiến dòng điện phóng ra dưới dạng một tia sét. Tia sét này có thể xảy ra theo nhiều hướng: giữa các vùng trong cùng một đám mây (intra-cloud lightning), giữa hai đám mây khác nhau (inter-cloud lightning), từ đám mây xuống mặt đất (cloud-to-ground lightning), hoặc ngược lại từ mặt đất phóng lên mây (ground-to-cloud lightning). Trong một số trường hợp đặc biệt, sét cũng có thể cảm ứng sinh ra dòng điện lan truyền trong các thiết bị điện – đây là loại sét gián tiếp, tuy không nhìn thấy bằng mắt thường nhưng rất nguy hiểm đối với hệ thống điện tử và viễn thông. Tốc độ hình thành và di chuyển của tia sét cực kỳ nhanh – ước tính có thể đạt từ 140.000 đến 300.000 km/giờ – và cường độ dòng điện trong một tia sét trung bình dao động từ 10 đến 200 kiloampere (kA), thậm chí có thể vượt quá 300 kA trong các trường hợp cực đoan. Nhiệt độ tại điểm phóng sét có thể lên tới 30.000 độ C, gấp khoảng 5 lần nhiệt độ bề mặt Mặt Trời, khiến không khí xung quanh giãn nở cực nhanh và sinh ra tiếng nổ lớn mà ta thường gọi là sấm. Không chỉ đơn thuần là hiện tượng tự nhiên có tính hiếm gặp, giông sét thực tế là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho các công trình kiến trúc, thiết bị điện tử và hệ thống mạng lưới điện trong đô thị. Tia sét đánh trực tiếp có thể gây cháy nổ, phá hủy kết cấu vật lý của các tòa nhà, làm chập mạch hoặc phá hủy các bảng mạch điện tử nhạy cảm như máy tính, thiết bị viễn thông và hệ thống điều khiển tự động. Trong khi đó, sét cảm ứng hoặc sét lan truyền có thể sinh ra các xung điện áp cao lan theo đường dây cấp điện, đường tín hiệu và hệ thống tiếp địa, gây ra những hư hại nghiêm trọng nếu không có các biện pháp bảo vệ thích hợp. Về mặt con người, sét không chỉ gây nguy hiểm đến tính mạng nếu bị đánh trúng trực tiếp, mà còn có thể dẫn đến thương tích nặng do dòng điện lan truyền qua các vật thể dẫn điện như cột kim loại, cáp truyền hình, ống nước, hay thậm chí là điện thoại cố định khi sử dụng trong thời điểm có giông bão. Theo thống kê của nhiều quốc gia, hàng năm có hàng trăm vụ tai nạn do sét gây ra, nhiều trong số đó để lại hậu quả lâu dài về sức khỏe hoặc dẫn đến tử vong. Do đó, việc nghiên cứu sâu về bản chất của giông sét không chỉ giúp nâng cao nhận thức cộng đồng về nguy cơ tiềm ẩn, mà còn là cơ sở nền tảng quan trọng để các kỹ sư thiết kế ra hệ thống chống sét hiệu quả, phù hợp với đặc điểm khí hậu và địa hình của từng vùng. Đặc biệt, với những công trình giáo dục như tòa nhà C1 – Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – nơi tập trung đông người và hệ thống thiết bị điện tử phức tạp, việc hiểu rõ về cơ chế hoạt động và mức độ nguy hiểm của giông sét sẽ góp phần quan trọng trong việc đưa ra giải pháp bảo vệ tối ưu, hạn chế thấp nhất thiệt hại về người và tài sản khi xảy ra hiện tượng thời tiết cực đoan. 1.3. Cơ chế hình thành sét Sét là kết quả của một chuỗi quá trình điện lý xảy ra trong điều kiện khí quyển bất ổn định, đặc biệt là trong các đám mây dông. Cơ chế hình thành sét về cơ bản bắt nguồn từ quá trình phân cực điện tích trong các đám mây đối lưu (cumulonimbus) – nơi mà không khí nóng, ẩm bốc lên mạnh mẽ và tương tác với các luồng không khí lạnh ở tầng cao. Trong điều kiện thích hợp, hơi nước ngưng tụ và hình thành nên các giọt nước, tinh thể băng và tuyết nhỏ. Khi các hạt này va chạm và ma sát với nhau trong môi trường đầy nhiễu động, một phần năng lượng va chạm được chuyển hóa thành năng lượng điện. Các hạt nhẹ hơn (như tinh thể băng) mang điện tích dương thường bay lên phần cao của đám mây, trong khi các hạt nặng hơn (như giọt nước lớn hoặc tuyết ẩm) mang điện tích âm tích tụ ở phần dưới. Kết quả là hình thành một vùng điện tích âm ở đáy mây và vùng điện tích dương ở đỉnh mây – tạo ra một sự phân cực điện tích mạnh trong đám mây. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là hiện tượng cảm ứng điện cũng xảy ra dưới mặt đất. Do sự hiện diện của vùng điện tích âm ở đáy đám mây, mặt đất bên dưới bị cảm ứng mang điện tích dương. Quá trình này tạo ra một trường điện mạnh mẽ giữa đáy đám mây và mặt đất. Khi điện trường này vượt quá khả năng cách điện của không khí – thường là trên 3 triệu volt/mét – lớp không khí bị ion hóa và dẫn điện, tạo điều kiện cho dòng phóng điện diễn ra. Đây là thời điểm mà tia sét hình thành. Quá trình hình thành một tia sét thường diễn ra theo hai giai đoạn: • Giai đoạn 1 – Tia tiên đạo (leader): Một dòng điện yếu, gọi là “tia tiên đạo”, bắt đầu di chuyển từ đám mây xuống mặt đất theo từng bước dài khoảng 50–100 mét, với vận tốc từ 1.000 đến 10.000 m/s. Tia này không thể nhìn thấy bằng mắt thường do cường độ sáng thấp, nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành đường dẫn điện cho tia sét chính. • Giai đoạn 2 – Tia hồi quang (return stroke): Khi tia tiên đạo đến gần mặt đất (thường cách vài chục mét), các vật thể trên mặt đất có thể phát ra tia phóng lên (streamer) do điện trường cảm ứng mạnh. Khi hai tia gặp nhau, dòng điện cực mạnh di chuyển ngược trở lại từ mặt đất lên mây – đây chính là tia sét thực sự mà ta nhìn thấy với ánh sáng chói lòa và tiếng nổ vang dội (sấm). Mỗi tia sét thực chất có thể gồm nhiều nhánh phóng điện liên tiếp (gọi là "tia phụ"), với khoảng cách thời gian chỉ vài phần nghìn giây giữa các lần. Điều này lý giải vì sao đôi khi ta thấy tia sét "nhấp nháy" nhiều lần trên cùng một đường dẫn. Tổng thời gian của một đợt sét có thể kéo dài từ 0,1 đến 1 giây, nhưng tác động điện từ của nó là cực kỳ lớn. Cường độ dòng điện trong mỗi tia sét dao động lớn, từ vài chục đến hàng trăm kiloampere (kA), với công suất tức thời có thể lên tới hàng tỷ watt. Nhiệt độ tại lõi tia sét có thể đạt đến hơn 30.000°C – cao hơn khoảng 5 lần so với nhiệt độ bề mặt Mặt Trời – làm giãn nở không khí xung quanh đột ngột, từ đó tạo ra sóng xung kích lan truyền ra ngoài không khí dưới dạng âm thanh mà ta nghe thấy là tiếng sấm. Sét có thể hình thành dưới nhiều dạng khác nhau như: • Sét trong mây (intra-cloud): phóng điện xảy ra giữa các vùng có điện tích trái dấu trong cùng một đám mây. • Sét giữa các đám mây (inter-cloud): phóng điện giữa hai đám mây riêng biệt. • Sét đánh xuống đất (cloud-to-ground): dòng điện phóng từ đám mây xuống các vật thể trên mặt đất, đây là dạng sét nguy hiểm nhất đối với con người và công trình. • Sét từ đất lên mây (ground-to-cloud): xảy ra khi vật thể trên mặt đất phát tia lên trước do có điện trường mạnh. • Sét cảm ứng (induced lightning): không nhìn thấy trực tiếp nhưng tạo ra xung điện trong các hệ thống dẫn, có thể phá hủy thiết bị điện tử tinh vi. Hiểu rõ cơ chế hình thành sét là tiền đề quan trọng để xây dựng hệ thống chống sét hiệu quả, từ khâu xác định vị trí đặt kim thu sét, chiều cao bảo vệ, đến thiết kế dây dẫn thoát sét và hệ thống tiếp đất. Những phân tích tiếp theo trong các chương sau sẽ dựa trên kiến thức nền tảng này để đưa ra giải pháp kỹ thuật phù hợp với công trình thực tế. Hình 1.1. Quá trình hình thành sét 1.4. Phân loại sét Sét là một hiện tượng phóng điện mạnh trong khí quyển, tuy nhiên không phải tất cả các tia sét đều giống nhau về cơ chế hình thành, hướng di chuyển hay mức độ nguy hiểm. Việc phân loại sét giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu xác định chính xác dạng sét có thể tác động đến công trình, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống chống sét phù hợp, hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Dưới đây là các phân loại sét phổ biến nhất trong thực tiễn: 1.4.1. Sét trong đám mây (Intra-cloud lightning – IC) Đây là loại sét xảy ra phổ biến nhất trong tự nhiên, chiếm khoảng 50–60% tổng số các tia sét. Quá trình phóng điện xảy ra giữa hai vùng mang điện tích trái dấu trong cùng một đám mây. Loại sét này thường không gây ra thiệt hại trực tiếp cho các công trình dưới mặt đất, nhưng lại là dấu hiệu cảnh báo sự phát triển mạnh của giông bão và tiềm ẩn khả năng xuất hiện các loại sét nguy hiểm hơn, như sét đánh xuống đất. 1.4.2. Sét giữa các đám mây (Inter-cloud lightning – CC) Loại sét này xảy ra khi dòng điện phóng từ một đám mây này sang một đám mây khác có điện tích trái dấu. Tuy ít phổ biến hơn sét trong đám mây, nhưng dạng sét này cũng thể hiện sự bất ổn định cực đoan của khí quyển. Các tia sét giữa mây có thể kéo dài và lan truyền theo phương ngang trong khí quyển, tạo nên các hiện tượng ánh sáng lóe sáng ngang trời mà ta thường thấy khi trời giông. 1.4.3. Sét từ mây xuống đất (Cloud-to-ground lightning – CG) Đây là loại sét nguy hiểm nhất đối với con người và các công trình xây dựng. Dòng điện được phóng từ đáy của đám mây tích điện âm xuống mặt đất tích điện dương, tạo nên một dòng phóng điện có cường độ rất lớn. Sét CG chiếm khoảng 10–20% tổng số tia sét nhưng gây ra phần lớn thiệt hại về tài sản, cháy nổ và ảnh hưởng đến hệ thống điện tử. Tia sét có thể đánh trúng trực tiếp vào các công trình cao tầng, cột điện, cây cối hoặc thiết bị dẫn điện, gây ra hiện tượng hư hỏng nặng nếu không có hệ thống chống sét trực tiếp hiệu quả. 1.4.4. Sét từ đất lên mây (Ground-to-cloud lightning – GC) Loại sét này xảy ra khi dòng phóng điện đi ngược lại từ mặt đất lên mây, thường bắt nguồn từ các công trình cao như tháp truyền hình, cột ăng-ten hoặc kim thu sét. Mặc dù ít gặp hơn nhưng sét GC cũng mang năng lượng cực lớn và có thể đi kèm với các xung điện từ mạnh, ảnh hưởng đến thiết bị điện tử nhạy cảm và hệ thống tín hiệu điều khiển từ xa. 1.4.5. Sét cảm ứng (Induced or secondary lightning) Sét cảm ứng không tạo thành tia sét nhìn thấy rõ bằng mắt thường, nhưng xuất hiện dưới dạng xung điện lan truyền trong các đường dây dẫn điện, hệ thống viễn thông hoặc thiết bị điện tử. Dạng sét này gây ra hiện tượng tăng áp đột ngột (surge) hoặc xung sét lan truyền (transient overvoltage) trong hệ thống. Đây là nguyên nhân chính gây hư hỏng vi mạch, modem, bộ định tuyến, hệ thống camera, máy tính hoặc các thiết bị điều khiển tự động. Do đó, việc trang bị thiết bị chống sét lan truyền (SPD) là yêu cầu bắt buộc trong các công trình hiện đại. 1.4.6. Sét chuỗi (Multiple stroke lightning) Một số tia sét không chỉ bao gồm một lần phóng điện duy nhất mà diễn ra theo nhiều nhịp, tạo thành chuỗi các xung điện ngắn liên tiếp trong cùng một đường dẫn ion hóa. Mỗi xung trong chuỗi có thể mang mức năng lượng cao và xảy ra cách nhau chỉ vài phần nghìn giây. Sét chuỗi có khả năng gây ra hư hại lặp lại lên cùng một điểm đánh, làm tăng nguy cơ cháy nổ hoặc làm vỡ bề mặt vật liệu bị tác động. 1.4.7. Sét dải rộng (Ribbon lightning) Sét dải rộng thường xuất hiện trong điều kiện gió mạnh khi tia sét chính bị lệch nhiều lần do thay đổi vị trí các dòng khí. Hiện tượng này tạo ra vệt sáng giống như một dải ruy băng lớn trên bầu trời, thường đi kèm với nhiều nhánh sét phụ, làm tăng vùng ảnh hưởng trên mặt đất. Loại sét này ít gặp nhưng gây khó khăn trong việc xác định vùng nguy hiểm để bảo vệ công trình. Việc hiểu rõ từng loại sét là điều bắt buộc đối với kỹ sư thiết kế hệ thống chống sét. Mỗi loại sét có đặc điểm, cơ chế tác động và mức độ rủi ro khác nhau, từ đó yêu cầu các giải pháp bảo vệ cũng khác biệt. Trong các chương tiếp theo của luận văn, nội dung thiết kế hệ thống chống sét cho tòa nhà C1 sẽ đặc biệt chú trọng đến sét đánh trực tiếp, sét lan truyền và sét cảm ứng – ba dạng nguy hiểm phổ biến nhất trong khu vực thành thị có mật độ công trình và thiết bị điện tử dày đặc như Thái Nguyên. Hình 1.2. Các loại sét 1.5. Tác hại của sét Sét là một trong những hiện tượng thiên nhiên có sức tàn phá lớn và có thể gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng đối với các công trình xây dựng, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng với sự gia tăng mật độ thiết bị điện tử và hệ thống hạ tầng kỹ thuật. Dưới đây là các hậu quả điển hình và mức độ ảnh hưởng mà sét có thể gây ra đối với công trình: Gây cháy nổ và hỏa hoạn Khi sét đánh vào các vật thể có khả năng dẫn điện hoặc bắt lửa, chẳng hạn như mái tôn, hệ thống dây điện không được bảo vệ, hoặc các vật liệu dễ cháy như gỗ, nhựa, sơn, sét có thể tạo ra tia lửa điện và nhiệt độ cực cao, dẫn đến cháy nổ tức thì. Nhiệt độ tại điểm đánh sét có thể vượt quá 30.000°C, đủ để đốt cháy hầu hết các vật liệu xây dựng. Điều này đặc biệt nguy hiểm với các tòa nhà cao tầng hoặc khu công nghiệp có chứa hóa chất dễ cháy, nơi việc phòng chống cháy nổ luôn là ưu tiên hàng đầu. Một tia sét duy nhất cũng có thể gây ra cháy lan, ảnh hưởng đến nhiều tầng trong tòa nhà hoặc gây cháy rừng khi đánh trúng cây cối. Hư hỏng thiết bị điện và điện tử Một trong những hậu quả thường gặp và dễ bị đánh giá thấp chính là thiệt hại do sét lan truyền và sét cảm ứng gây ra cho hệ thống điện – điện tử trong công trình. Các thiết bị như: máy tính, máy in, máy chiếu, thiết bị mạng, hệ thống camera an ninh, điều khiển tự động (PLC, BMS), tủ điện, và các thiết bị viễn thông đều có thể bị phá hủy do dòng điện xung đột ngột từ sét lan truyền qua đường cấp điện hoặc dây tín hiệu. Những thiết bị có linh kiện bán dẫn càng dễ bị hư hỏng nặng do tính nhạy cảm với điện áp tăng đột ngột. Ngoài ra, các thiết bị điện có thể bị mất dữ liệu, treo hệ thống hoặc ngưng hoạt động hoàn toàn, gây ảnh hưởng lớn đến quá trình vận hành và khai thác công trình. Tác động đến kết cấu công trình Tia sét đánh trực tiếp vào các phần kết cấu kim loại như: cột thép, dầm mái, hệ khung kim loại hoặc hệ thống tiếp địa kém có thể gây ra hiện tượng giãn nở nhiệt cục bộ, dẫn đến nứt vỡ, biến dạng cấu trúc hoặc phá hủy lớp bảo vệ bề mặt. Đối với công trình sử dụng bê tông cốt thép, khi cốt thép bị nung nóng nhanh bởi tia sét, có thể dẫn đến nứt bê tông do chênh lệch giãn nở nhiệt giữa các vật liệu. Các mối hàn kim loại hoặc bu lông kết cấu cũng có thể bị phá hủy nếu không có biện pháp tiếp địa và bảo vệ điện đúng tiêu chuẩn. Về lâu dài, những tổn thất này làm suy giảm độ bền vững của công trình, tăng nguy cơ sụp đổ hoặc mất an toàn kết cấu trong điều kiện khai thác tiếp theo. Nguy cơ cho tính mạng và sức khỏe con người Sét đánh trực tiếp vào người có thể gây tử vong ngay lập tức hoặc để lại hậu quả lâu dài như: tổn thương hệ thần kinh, rối loạn tim mạch, cháy da, bỏng nặng hoặc mất ý thức. Trong các trường hợp khác, sét gián tiếp có thể lan truyền qua các thiết bị dẫn điện (cửa sắt, lan can, hệ thống nước, điện thoại bàn...), tạo thành dòng điện truyền qua người, gây sốc điện, co giật, mất kiểm soát cơ thể và chấn thương nội tạng. Các vụ tai nạn do sét không chỉ xảy ra ngoài trời mà còn có thể xảy ra trong nhà nếu công trình không có hệ thống chống sét bảo vệ phù hợp. Gây gián đoạn sản xuất và tổn thất kinh tế Trong môi trường sản xuất công nghiệp hoặc văn phòng điều hành, khi hệ thống điện và thiết bị điều khiển bị tê liệt do sét, toàn bộ dây chuyền có thể phải ngừng hoạt động. Điều này gây thiệt hại không chỉ về mặt năng suất mà còn có thể làm hư hỏng nguyên vật liệu, sản phẩm dở dang hoặc dẫn đến mất dữ liệu quan trọng. Đối với các tòa nhà văn phòng, trung tâm dữ liệu hoặc trường học như tòa nhà C1 – Trường ĐH CNTT&TT, sự gián đoạn về điện và thiết bị có thể ảnh hưởng đến hàng trăm người học tập, làm việc và quản lý, kéo theo những chi phí lớn cho việc sửa chữa, khôi phục hệ thống và đảm bảo vận hành trở lại. Hình 1.3. Hậu quả của sét Hậu quả của sét không chỉ đơn thuần là sự cố mang tính ngẫu nhiên, mà là một nguy cơ thực sự về an toàn công trình, tính mạng con người và hiệu quả kinh tế – vận hành. Do đó, việc thiết kế hệ thống chống sét đúng tiêu chuẩn, có tính đến các kịch bản sét trực tiếp, sét lan truyền và cảm ứng là bắt buộc đối với mọi công trình hiện đại, đặc biệt trong khu vực có tần suất giông sét cao như tỉnh Thái Nguyên. 1.6. Các phương pháp chống sét hiện nay Trước những hậu quả nghiêm trọng mà sét có thể gây ra đối với công trình, thiết bị và con người, việc trang bị hệ thống chống sét hiệu quả là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế xây dựng hiện đại. Các hệ thống chống sét hiện nay được phân chia thành hai nhóm chính là chống sét trực tiếp và chống sét lan truyền, đồng thời có thể kết hợp trong một giải pháp tổng thể – đồng bộ để đảm bảo mức độ bảo vệ cao nhất cho toàn bộ công trình. Hình 1.4. Cơ bản về hoạt động của hệ thống chống 1.6.1 Hệ thống chống sét trực tiếp Hệ thống chống sét trực tiếp à một trong những giải pháp quan trọng nhất nhằm đảm bảo an toàn cho con người và tài sản khi có hiện tượng sét đánh xảy ra. Đây là hệ thống được thiết kế để chủ động thu và dẫn dòng điện sét từ điểm đánh trên cao xuống đất một cách an toàn, tránh cho dòng sét đi xuyên qua kết cấu công trình hay các thiết bị bên trong, từ đó giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên việc sử dụng các thiết bị thu sét được đặt tại những vị trí cao nhất của công trình, thường là đỉnh mái nhà hoặc đỉnh tháp. Các thiết bị này sẽ đóng vai trò như một “điểm đón” sét, hút sét về phía mình thay vì để dòng sét đánh trực tiếp vào các vị trí không được bảo vệ. Sau khi thu được dòng sét, hệ thống sẽ dẫn truyền dòng điện thông qua các dây dẫn sét (dây thoát sét) có tiết diện đủ lớn và độ dẫn điện tốt, thường là dây đồng hoặc nhôm, truyền xuống hệ thống tiếp địa. Theo TCVN 9385:2012 và IEC 62305-3, hệ thống chống sét trực tiếp được chia làm ba thành phần chính: Kim thu sét (Air Terminal): Là bộ phận tiếp nhận sét bao gồm các kim loại nhọn hoặc hệ thống dây dẫn bố trí trên đỉnh công trình. Có hai dạng kim phổ biến: o Kim Franklin cổ điển: Là loại kim thu sét truyền thống hường có cấu tạo đơn giản từ thanh kim loại nhọn làm bằng đồng hoặc thép mạ đồng. Kim này hoạt động theo nguyên lý thụ động, tức là chỉ thu sét khi có tia tiên đạo từ đám mây đến gần. Phạm vi bảo vệ của loại kim này được xác định dựa trên phương pháp bán kính bảo vệ, theo mô hình quả cầu lăn (rolling sphere model). o Kim phát tia tiên đạo sớm (ESE - Early Streamer Emission): đây là loại kim thu sét hiện đại, được thiết kế để phát ra dòng điện ion hóa sớm trước khi tia tiên đạo từ đám mây hình thành, từ đó chủ động đón tia sét ở khoảng cách xa hơn. Công nghệ ESE cho phép mở rộng đáng kể bán kính bảo vệ, có thể đạt tới 80–120 mét tùy theo chiều cao lắp đặt và điều kiện môi trường. Kim ESE phù hợp với các công trình có diện tích lớn, chiều cao không đồng đều hoặc yêu cầu mức độ bảo vệ cao như nhà máy công nghiệp, khu lưu trữ dữ liệu, trạm xăng dầu, bệnh viện, trường học... Dây dẫn sét (Down Conductor): Dẫn dòng điện từ kim thu sét xuống hệ thống tiếp địa. Dây dẫn sét phải có tiết diện đủ lớn, được cố định chắc chắn theo đường ngắn nhất có thể, thường làm bằng dây đồng trần, dây đồng bện hoặc dây thép mạ đồng có khả năng chịu được cường độ dòng sét lên đến hàng trăm kiloampere (kA). Hệ thống tiếp địa (Grounding System): Là nơi phân tán toàn bộ dòng điện sét xuống lòng đất một cách an toàn. Bao gồm: o Cọc tiếp địa: thường là thép mạ đồng dài 2.4–3m, chôn sâu dưới đất. o Dây nối đất: kết nối giữa cọc tiếp địa và hệ thống dây dẫn sét. o Hố kiểm tra điện trở: dùng để đo điện trở hệ thống tiếp địa, giá trị tiêu chuẩn thường nhỏ hơn 10 Ω. Việc tính toán đúng vùng bảo vệ, khoảng cách an toàn, điện trở đất và bố trí vật liệu phù hợp là yếu tố quan trọng đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và bền vững. 1.6.2. Hệ thống chống sét lan truyền Hệ thống chống sét lan truyền nhằm bảo vệ thiết bị điện, điện tử và hệ thống tín hiệu điều khiển khỏi các xung sét lan truyền theo đường dây điện hoặc cáp viễn thông. Đây là phương pháp bảo vệ gián tiếp nhưng rất cần thiết vì hầu hết các thiệt hại do sét trong công trình đều bắt nguồn từ sét lan truyền. Các thành phần chính của hệ thống chống sét lan truyền bao gồm: Thiết bị cắt lọc sét – SPD (Surge Protective Device): o SPD cấp I: Chịu được dòng sét lớn nhất, thường lắp ở tủ điện chính, nơi tiếp nhận nguồn điện từ lưới. o SPD cấp II: Lắp tại tủ phân phối tầng, triệt tiêu xung còn sót lại sau SPD cấp I. o SPD cấp III: Bảo vệ thiết bị đầu cuối như ổ cắm, máy tính, thiết bị văn phòng. Thiết bị bảo vệ đường tín hiệu: Sét không chỉ lan theo nguồn điện mà còn lan truyền theo các cáp tín hiệu (RS-232, RS-485, Ethernet, HDMI, tín hiệu điều khiển...). Việc lắp đặt bộ lọc xung, thiết bị cắt sét chuyên dụng cho từng đường truyền là cần thiết để tránh cháy vi mạch và mất tín hiệu. Hệ thống nối đất chung: SPD chỉ phát huy tác dụng khi được kết nối đúng kỹ thuật với hệ thống tiếp địa có điện trở đạt chuẩn. Hệ thống tiếp địa giữa chống sét trực tiếp và lan truyền cần liên kết điện trở, tránh hiện tượng chênh lệch điện áp giữa các điểm đất. Giải pháp đồng bộ – Tích hợp cả chống sét trực tiếp và lan truyền Trong các công trình hiện đại – đặc biệt là công trình giáo dục như tòa nhà C1 – Trường Đại học CNTT&TT, nơi có nhiều người sử dụng và thiết bị điện tử nhạy cảm – giải pháp hiệu quả nhất là thiết kế tích hợp cả chống sét trực tiếp và lan truyền. Giải pháp đồng bộ bao gồm: Lắp đặt kim thu sét ESE phù hợp với bán kính bảo vệ đã tính toán. Bố trí hệ thống dây dẫn và tiếp địa liên thông giữa các phần. Lắp SPD theo phân cấp (I – II – III) cho cả nguồn điện và tín hiệu. Áp dụng mô hình phân vùng bảo vệ điện từ (EMZ). Liên kết hệ thống tiếp địa giữa điện lực, viễn thông, an ninh, điều khiển tự động... Giải pháp này không chỉ đảm bảo an toàn cho công trình và con người mà còn giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị, duy trì hoạt động liên tục, tránh thiệt hại gián tiếp về kinh tế. Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý kim thu sét kiểu 1.7. Tiêu chuẩn áp dụng trong thiết kế chống sét Việc thiết kế, thi công và kiểm tra hệ thống chống sét là một khâu đặc biệt quan trọng trong công tác đảm bảo an toàn cho công trình dân dụng, công nghiệp cũng như hạ tầng kỹ thuật. Để hệ thống chống sét hoạt động hiệu quả và ổn định, mọi bước trong quá trình thiết kế và lắp đặt đều phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn kỹ thuật đã được ban hành, nhằm đảm bảo sự đồng bộ, an toàn điện, tính pháp lý cũng như hiệu quả vận hành trong thực tế. Các tiêu chuẩn này quy định rõ các nguyên tắc thiết kế, phương pháp tính toán, lựa chọn vật liệu – thiết bị, cấu hình hệ thống, mức độ bảo vệ, yêu cầu kiểm tra định kỳ và bảo trì hệ thống. Mỗi tiêu chuẩn sẽ phù hợp với những điều kiện cụ thể về loại công trình, vùng địa lý, cường độ sét, tính chất sử dụng và yêu cầu về an toàn. Dưới đa là các bộ tiêu chuẩn chủ yếu đang được aps dụng rộng rãi tại Việt Nam và trên thế giới: 1.7.1. TCVN 9385:2012 – Hệ thống chống sét cho công trình xây dựng Đây là tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành, dựa trên các nguyên tắc của tiêu chuẩn quốc tế IEC 62305. Nội dung tiêu chuẩn bao gồm: • Hướng dẫn thiết kế và lắp đặt hệ thống chống sét trực tiếp cho công trình dân dụng và công nghiệp. • Quy định về bán kính bảo vệ của kim thu sét, cách tính toán khu vực an toàn. • Hướng dẫn lắp đặt dây dẫn sét, bố trí hệ thống tiếp địa, điện trở tiếp đất yêu cầu. • Quy định về kiểm tra và bảo trì định kỳ hệ thống chống sét. TCVN 9385 là căn cứ pháp lý quan trọng được yêu cầu trong hồ sơ thiết kế thi công và nghiệm thu công trình tại Việt Nam. 1.7.2. TCVN 9386:2012 – Bảo vệ thiết bị điện và điện tử Tiêu chuẩn này quy định các phương pháp bảo vệ thiết bị điện và điện tử trong công trình khỏi ảnh hưởng của xung sét lan truyền, bao gồm: • Lựa chọn và lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền (SPD) theo cấp độ bảo vệ (I, II, III). • Quy định cách bố trí SPD tại các tủ điện chính, phụ và điểm đầu vào thiết bị. • Kết nối hệ thống SPD với tiếp địa chuẩn kỹ thuật. • Bảo vệ tín hiệu điều khiển, cáp mạng, camera, điện thoại khỏi nhiễu và xung quá áp. TCVN 9386:2012 đặc biệt cần thiết với các công trình có hệ thống điều khiển tự động, mạng thông tin và thiết bị điện tử nhạy cảm như: bệnh viện, trường học, nhà máy. 1.7.3. IEC 62305 (Parts 1–4) – Tiêu chuẩn quốc tế về bảo vệ chống sét toàn diện IEC 62305 là bộ tiêu chuẩn quốc tế do uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc Tế IEC – International Electrotechnical Commission) ban hành, được công nhận là chuẩn mực toàn cầu trong lĩnh vực thiết kế và thi công hệ thống chống sét toàn diện. Bộ tiêu chuẩn này được sử dụng làm cơ sở nội luật hóa cho nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam (thể hiện qua TCVN 9385:2012): • IEC 62305-1: Phần đầu tiên của bộ đưa ra cái nhìn tổng thể về hiện tượng sét, cơ chế hình thành và tác động của nó đối với công trình xây dựng, thiết bị, con người và hệ thống điện tử. Phần này bao gồm : o Các định nghĩa và thuật ngữ chuẩn hoá. o Phân loại các loại sét o Các loại tổn hại ( sét đánh trực tiếp, sét đánh lan truyền,…) o Mô hình tính toán tác động sét o Nguyên lý thiết lập cấp độ bảo vệ theo rủi do Đây là phần nền tảng bắt buộc cần hiểu rõ trước khi triển khai thiết kế hệ thống chống sét • IEC 62305-2: Đánh giá rủi ro sét. Phần này trình bày phương pháp đánh giá định lượng mức độ rủi ro do sét gây ra, từ đó xác định cần hay không cần lắp đặt hệ thống chống sét, và nếu cần thì cấp độ bảo vệ nào là phù hợp (Level I → Level IV). Nội dung chính gồm: o Tính toán xác suất sét đánh vào công trình dựa trên: vị trí địa lý (mật độ sét), diện tích bề mặt, chiều cao công trình... o Xác định hậu quả theo bốn loại tổn thất: về con người, dịch vụ công cộng, tài sản vật lý, và thông tin. o So sánh rủi ro thực tế với mức rủi ro cho phép (tolerable risk). o Đề xuất các biện pháp bảo vệ phù hợp: chống sét trực tiếp (LPS), chống lan truyền (SPD), cách điện... Đây là phần đặc biệt quan trọng đối với công trình lớn, khu công nghiệp, bệnh viện, trường học, trung tâm dữ liệu, nơi cần đánh giá rủi ro nghiêm túc trước khi đưa ra phương án kĩ thuật. • IEC 62305-3: Bảo vệ công trình khỏi sét đánh trực tiếp (hệ thống LPS – Lightning Protection System). à phần được ứng dụng phổ biến nhất trong thiết kế chống sét tại các công trình thực tế, IEC 62305-3 đưa ra hướng dẫn chi tiết về việc thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp (LPS – Lightning Protection System). Nội dung chính bao gồm: o Thiết kế và bố trí kim thu sét (kim Franklin, dây lưới, kim ESE) o Tính toán bán kính bảo vệ theo mô hình quả cầu lăn (rolling sphere method); o Bố trí dây dẫn sét xuống đất, tránh khúc ngoặt, giảm cảm kháng o Thiết kế hệ thống tiếp địa (điện trở ≤ 10 Ω cho cấp bảo vệ III); o Biện pháp tránh tia lửa nhảy (sparking) giữa LPS và hệ thống kim loại khác trong công trình. • IEC 62305-4: Bảo vệ hệ thống điện và điện tử trong công trình khỏi xung sét lan truyền. Phần này tập trung vào việc bảo vệ hệ thống điện, điện tử, điều khiển và thông tin liên lạc nội bộ trong công trình khỏi tác động của xung sét lan truyền hoặc nhiễu điện từ do sét gây ra. Các nội dung chủ yếu gồm: o Lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền (SPD) tại các điểm vào/ra như tủ điện chính, mạng LAN, đường truyền tín hiệu; o Thiết kế mạng lưới nối đất chung (MESH-BN), giảm chênh lệch điện thế trong công trình; o Bố trí vùng bảo vệ phân cấp (LPZ - Lightning Protection Zones), từ bên ngoài vào trung tâm; o Đảm bảo tính liên tục chức năng cho các thiết bị nhạy cảm như máy chủ, thiết bị y tế, hệ thống điều khiển SCADA... Việc tuân thủ IEC 62305 giúp thiết kế hệ thống chống sét không chỉ hiệu quả mà còn phù hợp với các tiêu chuẩn toàn cầu, đặc biệt quan trọng trong các dự án hợp tác quốc tế, công trình sử dụng thiết bị nhập khẩu, hoặc yêu cầu đấu thầu nước ngoài. 1.7.4. NF C 17-102 – Tiêu chuẩn Pháp về kim thu sét sớm (ESE) Đây là tiêu chuẩn chuyên biệt của Pháp, quy định về thiết kế và thử nghiệm kim thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE – Early Streamer Emission). Các nội dung chính bao gồm: • Định nghĩa và đặc tính kỹ thuật của kim ESE. • Phương pháp tính toán bán kính bảo vệ dựa trên thời gian phát xạ sớm ΔT. • Yêu cầu thử nghiệm hiệu suất tại phòng thí nghiệm theo điều kiện mô phỏng. • Quy định về lắp đặt, chiều cao tối thiểu, và khoảng cách an toàn. Kết luận chương Chương 1 đã trình bày một cách hệ thống và toàn diện các kiến thức nền tảng liên quan đến hiện tượng giông sét – từ bản chất vật lý, cơ chế hình thành, phân loại các dạng sét cho đến tác động thực tế của sét đối với công trình, thiết bị điện tử và con người. Thông qua việc phân tích các hậu quả nghiêm trọng của sét, chương cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xây dựng hệ thống chống sét hiệu quả trong thiết kế công trình hiện đại. Đồng thời, chương đã phân loại rõ ràng hai nhóm phương pháp chống sét phổ biến hiện nay: hệ thống chống sét trực tiếp và hệ thống chống sét lan truyền, từ đó làm rõ vai trò, nguyên lý hoạt động và cấu thành cơ bản của mỗi nhóm. Bên cạnh đó, giải pháp chống sét đồng bộ cũng được đề cập như là hướng tiếp cận tối ưu nhằm đảm bảo an toàn toàn diện cho công trình – đặc biệt là với những kiến trúc có quy mô lớn, mật độ thiết bị điện cao như tòa nhà C1. Đây là cơ sở để bước sang chương 2, tiến hành thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho tòa nhà C1 – Trường Đại học CNTT&TT. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT TRỰC TIẾP 2.1. Cơ sở thiết kế Thiết kế hệ thống hống sét trực tiếp cho công trình không chỉ là một yêu cầu kỹ thuật bắt buộc nhằm đảm bảo an toàn mà còn là một quá trình mang tính khoa học và thực tiễn cao. Quá trình thiết kế phải được thực hiện trên cơ sở tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và quốc tế hiện hành, nhằm đảm bảo rằng hệ thống chống sét được đề xuất có thể hoạt động hiệu quả, an toàn, kinh tế và phù hợp với điều kiện cụ thể của từng công trình xây dựng. Theo đó, ác tiêu chuẩn như TCVN 9385:2012 (Chống sét cho công trình xây dựng – Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống chống sét trực tiếp), IEC 62305 (tiêu chuẩn quốc tế về chống sét), và các quy định liên quan của Quy chuẩn xây dựng Việt Nam được xem là cơ sở pháp lý cũng như khoa học quan trọng để định hướng việc lựa chọn phương án kỹ thuật tối ưu. Các tiêu chuẩn này đưa ra các nguyên tắc thiết kế cụ thể về vị trí lắp đặt kim thu sét, thiết kế dây dẫn sét, hệ thống tiếp địa, mức bảo vệ cần thiết, cũng như các yêu cầu về vật liệu, kỹ thuật thi công và bảo trì. Ngoài ra, cơ sở thiết kế còn phải xét đến các điều kiện thực tế của công trình, bao gồm: vị trí địa lý, mật độ sét tại khu vực (số ngày dông trong năm, giá trị Ng), đặc điểm kết cấu của công trình (chiều cao, diện tích mặt bằng, vật liệu xây dựng), cũng như yếu tố địa chất như loại đất, độ ẩm, và điện trở suất nền đất. Đây là những yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng truyền dẫn và tiêu tán dòng điện sét, từ đó quyết định hiệu quả và độ bền vững của toàn bộ hệ thống. Việc thiết kế hệ thống chống sét cần được thực hiện dựa trên một cơ sở pháp lý – kỹ thuật rõ ràng, khoa học, đồng thời linh hoạt trong áp dụng để thích nghi với đặc điểm riêng của từng công trình. Việc tuân thủ đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật không chỉ giúp hệ thống vận hành an toàn, mà còn là điều kiện tiên quyết để được phê duyệt và triển khai thi công trong thực tế. 2.1.1. Các tiêu chuẩn áp dụng TCVN 9385:2012 – Chống sét cho công trình xây dựng – Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra hệ thống chống sét: Là tiêu chuẩn quốc gia do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành, quy định cụ thể các yêu cầu về bán kính bảo vệ, lựa chọn kim thu sét, dây dẫn sét, bố trí hệ thống tiếp địa và yêu cầu kiểm tra, bảo trì định kỳ. IEC 62305-1:2010 – Nguyên lý cơ bản về bảo vệ chống sét: Trình bày các khái niệm nền tảng về rủi ro sét, đối tượng cần bảo vệ và nguyên lý hệ thống LPS (Lightning Protection System). IEC 62305-2:2010 – Đánh giá rủi ro do sét: Hướng dẫn phương pháp phân tích rủi ro và xác định mức độ bảo vệ cần thiết (LPL – Lightning Protection Level), từ đó lựa chọn cấu hình hệ thống phù hợp. IEC 62305-3:2010 – Bảo vệ vật lý cho công trình và con người: Tập trung vào thiết kế chi tiết hệ thống chống sét trực tiếp, bao gồm kim thu sét, dây thoát sét, hệ thống tiếp địa và khoảng cách an toàn điện (separation distance). 2.1.2. Các yếu tố kỹ thuật làm cơ sở thiết kế Dựa trên đặc điểm cụ thể của công trình tòa nhà C1 – Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, các yếu tố kỹ thuật quan trọng được sử dụng làm cơ sở thiết kế bao gồm: Đặc điểm công trình: o Công trình cao 5 tầng, chiều cao trung bình mỗi tầng 3,5 m → tổng chiều cao khoảng 17,5 m. o Mái bằng, kết cấu bê tông cốt thép, vị trí nằm trong khu vực có mật độ dân cư và công trình dày đặc. o Khu vực Thái Nguyên có tần suất sét tương đối cao theo dữ liệu khí tượng trung bình nhiều năm. Cấp bảo vệ cần thiết (LPL): Theo kết quả phân tích rủi ro sơ bộ, tòa nhà C1 thuộc nhóm công trình giáo dục công cộng, có mật độ người sử dụng cao và chứa thiết bị điện tử nhiều, do đó cần lựa chọn cấp bảo vệ Level II hoặc III, tùy thuộc vào khoảng cách đến các công trình lân cận và khu vực có nguy cơ lan truyền sét. Loại kim thu sét: Phương án được xem xét trong thiết kế là sử dụng kim thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE) để tối ưu vùng bảo vệ. Điều này giúp giảm số lượng kim và dây dẫn, đồng thời bao phủ được toàn bộ mái công trình. Phương pháp tính vùng bảo vệ: Sử dụng mô hình bán kính bảo vệ hình nón quay (Rolling Sphere Method) theo tiêu chuẩn IEC 62305-3 hoặc bán kính bảo vệ dạng hình học hình chiếu (Protection Angle Method), kết hợp với thông số ΔT (thời gian phát tia tiên đạo sớm) của kim ESE theo tiêu chuẩn NF C 17-102 để xác định vùng bảo vệ cụ thể cho từng vị trí đặt kim. 2.2. Thông tin công trình
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Mục tiêu
Chương đầu tiên của báo cáo xây dựng nền tảng lý thuyết vững chắc cho quá trình nghiên cứu và thiết kế hệ thống chống sét cho công trình dân dụng Nội dung chính của chương tập trung vào việc cung cấp kiến thức toàn diện về hiện tượng giông sét – một hiện tượng tự nhiên phức tạp gây nguy hiểm cho con người, thiết bị điện tử và kết cấu xây dựng Hiểu rõ về cơ chế hình thành, di chuyển của điện tích trong khí quyển, cũng như quá trình phóng điện giữa các đám mây hoặc từ đám mây xuống mặt đất, là bước nền tảng để xác định chính xác các nguy cơ tiềm ẩn và đề xuất giải pháp chống sét phù hợp.
Một trong những nội dung trọng tâm của chương là phân loại các dạng sét thường gặp như sét đánh trực tiếp, sét đánh lan truyền và sét cảm ứng, mỗi loại mang đặc điểm và cơ chế tác động riêng biệt Việc phân tích các dạng sét này giúp nhận diện đúng nguy cơ mất an toàn do sét, từ đó đưa ra các phương pháp chống sét hiệu quả phù hợp với điều kiện thực tế của công trình.
Chương sẽ trình bày chi tiết các phương pháp chống sét phổ biến hiện nay, như hệ thống chống sét trực tiếp bao gồm kim thu sét, dây dẫn sét và hệ thống thoát sét, cùng với hệ thống chống sét lan truyền (bảo vệ bên trong và thiết bị SPD) Việc phân tích ưu điểm và hạn chế của từng phương pháp giúp người đọc hiểu rõ tính linh hoạt và yêu cầu kỹ thuật khi áp dụng trong thực tế Đặc biệt, các giải pháp này phù hợp cho các công trình cao tầng và khu vực có mật độ giông sét cao, như tòa nhà C1 của Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông.
Trong chương này, việc trình bày rõ ràng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế như IEC và tiêu chuẩn Việt Nam như TCVN 9385:2012 là phần không thể thiếu để thiết kế hệ thống chống sét hiệu quả Các tiêu chuẩn này đảm bảo sự phù hợp, an toàn và tối ưu trong việc xây dựng hệ thống chống sét theo quy định hiện hành Việc áp dụng đúng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và Việt Nam giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về an toàn điện và phòng chống thiên tai.
62305, hoặc các tiêu chuẩn khác có liên quan Việc nghiên cứu kỹ các tiêu chuẩn này không chỉ giúp đảm bảo tính hợp lệ về mặt pháp lý khi thiết kế và thi công, mà còn đóng vai trò như một tài liệu tham chiếu quan trọng trong việc lựa chọn cấu hình hệ thống, tính toán bán kính bảo vệ, xác định vị trí đặt kim thu sét, dây dẫn sét và điện trở tiếp đất đạt yêu cầu an toàn.
Chương này cung cấp kiến thức nền tảng lý thuyết để phân tích, thiết kế và tính toán hệ thống chống sét cho công trình nhà C1 Các nguyên lý kỹ thuật và tiêu chuẩn liên quan sẽ được áp dụng xuyên suốt báo cáo nhằm đảm bảo hệ thống chống sét không chỉ thực tiễn mà còn đạt hiệu quả tối đa trong bảo vệ công trình Hệ thống được thiết kế phù hợp nhằm đảm bảo vận hành an toàn, bền vững, đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư cho nhà trường và đơn vị quản lý vận hành tòa nhà. -**Sponsor**Bạn đang tìm kiếm cách tối ưu hóa bài viết của mình theo chuẩn SEO và cần những câu văn đắt giá để làm nổi bật ý chính của đoạn văn? [Article Generation](https://pollinations.ai/redirect-nexad/CDqN92xY) có thể giúp bạn! Dịch vụ này cung cấp khả năng tạo ra những bài viết chất lượng cao, tối ưu SEO một cách dễ dàng, tiết kiệm thời gian và chi phí Hãy thử ngay để nâng cao hiệu quả nội dung của bạn mà không cần tốn quá nhiều công sức.
Tổng quan về hiện tượng giông sét
Giông sét là hiện tượng khí tượng – điện tự nhiên đặc trưng, xảy ra khi các đám mây đối lưu tích tụ và tương tác mạnh mẽ trong điều kiện thời tiết bất ổn Quá trình này diễn ra chủ yếu trong các đám mây vũ tích (cumulonimbus), nơi xảy ra va chạm giữa các luồng không khí nóng ẩm và lạnh khô, dẫn đến sự phân chia điện tích lớn trên đám mây Điện tích dương chủ yếu tích tụ ở phần trên của đám mây, trong khi phần dưới tích tụ điện tích âm, tạo ra điện trường mạnh và gây ra hiệ tượng sấm sét Đồng thời, mặt đất bên dưới khu vực đám mây cũng bị cảm ứng điện tích dương, góp phần hình thành chu kỳ giông sét.
Khi sự chênh lệch điện thế giữa các vùng điện tích đạt đến một ngưỡng nhất định – thường lên tới hàng trăm triệu volt – điện môi của không khí bị phá vỡ, khiến dòng điện phóng ra dưới dạng một tia sét Tia sét này có thể xảy ra theo nhiều hướng: giữa các vùng trong cùng một đám mây (intra-cloud lightning), giữa hai đám mây khác nhau (inter-cloud lightning), từ đám mây xuống mặt đất (cloud- to-ground lightning), hoặc ngược lại từ mặt đất phóng lên mây
Sét phản ứng đất lên mây, còn gọi là sét ground-to-cloud, đặc biệt trong các trường hợp đặc biệt, có thể gây ra hiện tượng cảm ứng sinh dòng điện lan truyền trong các thiết bị điện tử và viễn thông Loại sét này, mặc dù không nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng rất nguy hiểm đối với hệ thống điện tử, gây ảnh hưởng lớn đến hoạt động của các thiết bị điện tử và các hệ thống truyền thông.
Tốc độ hình thành và di chuyển của tia sét cực kỳ nhanh – ước tính có thể đạt từ 140.000 đến 300.000 km/giờ – và cường độ dòng điện trong một tia sét trung bình dao động từ 10 đến 200 kiloampere (kA), thậm chí có thể vượt quá 300 kA trong các trường hợp cực đoan Nhiệt độ tại điểm phóng sét có thể lên tới 30.000 độ
C, gấp khoảng 5 lần nhiệt độ bề mặt Mặt Trời, khiến không khí xung quanh giãn nở cực nhanh và sinh ra tiếng nổ lớn mà ta thường gọi là sấm.
Không chỉ đơn thuần là hiện tượng tự nhiên có tính hiếm gặp, giông sét thực tế là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho các công trình kiến trúc, thiết bị điện tử và hệ thống mạng lưới điện trong đô thị Tia sét đánh trực tiếp có thể gây cháy nổ, phá hủy kết cấu vật lý của các tòa nhà, làm chập mạch hoặc phá hủy các bảng mạch điện tử nhạy cảm như máy tính, thiết bị viễn thông và hệ thống điều khiển tự động Trong khi đó, sét cảm ứng hoặc sét lan truyền có thể sinh ra các xung điện áp cao lan theo đường dây cấp điện, đường tín hiệu và hệ thống tiếp địa, gây ra những hư hại nghiêm trọng nếu không có các biện pháp bảo vệ thích hợp.
Sét không chỉ gây nguy hiểm trực tiếp đến tính mạng khi đánh trúng người mà còn có thể gây thương tích nặng do dòng điện lan truyền qua các vật thể dẫn điện như cột kim loại, cáp truyền hình, ống nước hoặc điện thoại cố định trong thời điểm có giông bão Thống kê từ nhiều quốc gia cho thấy hàng năm có hàng trăm vụ tai nạn liên quan đến sét, đa số dẫn đến hậu quả lâu dài về sức khỏe hoặc tử vong.
Nghiên cứu sâu về bản chất của giông sét giúp nâng cao nhận thức cộng đồng về nguy cơ tiềm ẩn và tạo nền tảng cho việc thiết kế hệ thống chống sét phù hợp với đặc điểm khí hậu và địa hình của từng vùng Đặc biệt đối với các công trình giáo dục như tòa nhà C1 - Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, việc hiểu rõ cơ chế hoạt động và mức độ nguy hiểm của giông sét đóng vai trò quan trọng trong việc đề xuất giải pháp bảo vệ tối ưu Điều này nhằm hạn chế thiệt hại về người và tài sản khi xảy ra các hiện tượng thời tiết cực đoan.
Cơ chế hình thành sét
Sét là kết quả của quá trình điện lý xảy ra trong điều kiện khí quyển bất ổn, đặc biệt trong các đám mây dông Quá trình hình thành sét bắt nguồn từ sự phân cực điện tích trong các đám mây đối lưu (cumulonimbus), nơi không khí nóng ẩm bốc lên mạnh mẽ và tương tác với các luồng không khí lạnh ở tầng cao.
Trong điều kiện thích hợp, hơi nước ngưng tụ tạo thành các giọt nước, tinh thể băng và tuyết nhỏ, làm nền tảng cho hiện tượng điện tích trong đám mây Các hạt nhẹ hơn như tinh thể băng mang điện tích dương thường di chuyển lên phía trên đám mây, trong khi các hạt nặng hơn như giọt nước lớn hoặc tuyết ẩm mang điện tích âm tích tụ ở phần dưới Quá trình va chạm và ma sát trong môi trường nhiễu động chuyển đổi năng lượng va chạm thành điện tích, dẫn đến sự hình thành các vùng điện tích âm ở đáy và dương ở đỉnh mây Kết quả là tạo ra hiện tượng phân cực điện tích mạnh trong đám mây, góp phần gây ra các hiện tượng thời tiết như sấm sét và mưa giông.
Tuy nhiên, điều đáng chú ý là hiện tượng cảm ứng điện cũng xảy ra dưới mặt đất Do sự hiện diện của vùng điện tích âm ở đáy đám mây, mặt đất bên dưới bị cảm ứng mang điện tích dương Quá trình này tạo ra một trường điện mạnh mẽ giữa đáy đám mây và mặt đất Khi điện trường này vượt quá khả năng cách điện của không khí – thường là trên 3 triệu volt/mét – lớp không khí bị ion hóa và dẫn điện, tạo điều kiện cho dòng phóng điện diễn ra Đây là thời điểm mà tia sét hình thành.
Quá trình hình thành một tia sét thường diễn ra theo hai giai đoạn:
Giai đoạn 1 – Tia tiên đạo (leader): Một dòng điện yếu, gọi là
Tia tiên đạo bắt đầu di chuyển từ đám mây xuống mặt đất theo từng bước dài từ 50 đến 100 mét với vận tốc từ 1.000 đến 10.000 m/s Dù không thể nhìn thấy bằng mắt thường do cường độ sáng thấp, tia này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành đường dẫn điện cho tia sét chính, góp phần giải thích quá trình phóng sét tự nhiên.
Giai đoạn 2 – Tia hồi quang (return stroke) xảy ra khi tia tiên đạo gần mặt đất, thường cách vài chục mét, khiến các vật thể trên mặt đất phát ra tia streamers nhờ vào điện trường cảm ứng mạnh Khi hai tia gặp nhau, dòng điện cực lớn di chuyển ngược từ mặt đất lên mây, chính là tia sét thực sự mà chúng ta thấy với ánh sáng chói lòa và tiếng sấm vang dội, tạo thành phần quan trọng của hiện tượng sét.
Mỗi tia sét thực chất có thể gồm nhiều nhánh phóng điện liên tiếp (gọi là "tia phụ"), với khoảng cách thời gian chỉ vài phần nghìn giây giữa các lần Điều này lý giải vì sao đôi khi ta thấy tia sét "nhấp nháy" nhiều lần trên cùng một đường dẫn Tổng thời gian của một đợt sét có thể kéo dài từ 0,1 đến 1 giây, nhưng tác động điện từ của nó là cực kỳ lớn.
Cường độ dòng điện trong mỗi tia sét dao động lớn, từ vài chục đến hàng trăm kiloampere (kA), với công suất tức thời có thể lên tới hàng tỷ watt Nhiệt độ tại lõi tia sét có thể đạt đến hơn 30.000°C – cao hơn khoảng 5 lần so với nhiệt độ bề mặt Mặt Trời – làm giãn nở không khí xung quanh đột ngột, từ đó tạo ra sóng xung kích lan truyền ra ngoài không khí dưới dạng âm thanh mà ta nghe thấy là tiếng sấm.
Sét có thể hình thành dưới nhiều dạng khác nhau như:
Sét trong mây (intra-cloud): phóng điện xảy ra giữa các vùng có điện tích trái dấu trong cùng một đám mây.
Sét giữa các đám mây (inter-cloud): phóng điện giữa hai đám mây riêng biệt.
Sét đánh xuống đất (cloud-to-ground) là hiện tượng dòng điện phóng từ đám mây xuống các vật thể trên mặt đất, gây nguy hiểm cho con người và công trình Đây là dạng sét nguy hiểm nhất, có thể gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản Chính vì vậy, cần có biện pháp phòng tránh hiệu quả khi gặp mưa giông và sấm sét để đảm bảo an toàn.
Sét từ đất lên mây (ground-to-cloud): xảy ra khi vật thể trên mặt đất phát tia lên trước do có điện trường mạnh.
Sét cảm ứng (induced lightning): không nhìn thấy trực tiếp nhưng tạo ra xung điện trong các hệ thống dẫn, có thể phá hủy thiết bị điện tử tinh vi.
Hiểu rõ cơ chế hình thành sét là tiền đề quan trọng để xây dựng hệ thống chống sét hiệu quả, từ khâu xác định vị trí đặt kim thu sét, chiều cao bảo vệ, đến thiết kế dây dẫn thoát sét và hệ thống tiếp đất Những phân tích tiếp theo trong các chương sau sẽ dựa trên kiến thức nền tảng này để đưa ra giải pháp kỹ thuật phù hợp với công trình thực tế.
Hình 1.1 Quá trình hình thành sét
Phân loại sét
Sét là một hiện tượng phóng điện mạnh trong khí quyển, tuy nhiên không phải tất cả các tia sét đều giống nhau về cơ chế hình thành, hướng di chuyển hay mức độ nguy hiểm Việc phân loại sét giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu xác định chính xác dạng sét có thể tác động đến công trình, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế hệ thống chống sét phù hợp, hiệu quả và tiết kiệm chi phí Dưới đây là các phân loại sét phổ biến nhất trong thực tiễn:
1.4.1 Sét trong đám mây (Intra-cloud lightning – IC) Đây là loại sét xảy ra phổ biến nhất trong tự nhiên, chiếm khoảng 50–60% tổng số các tia sét Quá trình phóng điện xảy ra giữa hai vùng mang điện tích trái dấu trong cùng một đám mây. Loại sét này thường không gây ra thiệt hại trực tiếp cho các công trình dưới mặt đất, nhưng lại là dấu hiệu cảnh báo sự phát triển mạnh của giông bão và tiềm ẩn khả năng xuất hiện các loại sét nguy hiểm hơn, như sét đánh xuống đất.
1.4.2 Sét giữa các đám mây (Inter-cloud lightning – CC)
Loại sét này xảy ra khi dòng điện phóng từ một đám mây sang đám mây khác có điện tích trái dấu, thể hiện sự bất ổn định cực đoan của khí quyển Mặc dù ít phổ biến hơn sét trong đám mây, sét giữa các đám mây vẫn có khả năng gây ra các hiện tượng phóng điện mạnh mẽ Các tia sét giữa các đám mây có thể kéo dài và lan truyền theo chiều ngang trong khí quyển, tạo ra những ánh sáng lóe sáng ngang trời thường thấy khi trời giông.
1.4.3 Sét từ mây xuống đất (Cloud-to-ground lightning – CG) Đây là loại sét nguy hiểm nhất đối với con người và các công trình xây dựng Dòng điện được phóng từ đáy của đám mây tích điện âm xuống mặt đất tích điện dương, tạo nên một dòng phóng điện có cường độ rất lớn Sét CG chiếm khoảng 10–20% tổng số tia sét nhưng gây ra phần lớn thiệt hại về tài sản, cháy nổ và ảnh hưởng đến hệ thống điện tử Tia sét có thể đánh trúng trực tiếp vào các công trình cao tầng, cột điện, cây cối hoặc thiết bị dẫn điện, gây ra hiện tượng hư hỏng nặng nếu không có hệ thống chống sét trực tiếp hiệu quả.
1.4.4 Sét từ đất lên mây (Ground-to-cloud lightning – GC)
Loại sét này xảy ra khi dòng phóng điện đi ngược lại từ mặt đất lên mây, thường bắt nguồn từ các công trình cao như tháp truyền hình, cột ăng-ten hoặc kim thu sét Mặc dù ít gặp hơn nhưng sét GC cũng mang năng lượng cực lớn và có thể đi kèm với các xung điện từ mạnh, ảnh hưởng đến thiết bị điện tử nhạy cảm và hệ thống tín hiệu điều khiển từ xa.
1.4.5 Sét cảm ứng (Induced or secondary lightning)
Sét cảm ứng không tạo thành tia sét rõ ràng bằng mắt thường, nhưng xuất hiện dưới dạng xung điện lan truyền trong hệ thống dây dẫn điện, viễn thông và thiết bị điện tử Hiện tượng này gây ra tăng áp đột ngột (surge) hoặc xung sét lan truyền (transient overvoltage), là nguyên nhân chính gây hư hỏng vi mạch, modem, bộ định tuyến, camera, máy tính và các thiết bị tự động Vì vậy, việc lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền (SPD) là bắt buộc trong các công trình hiện đại để bảo vệ thiết bị điện tử khỏi các tác nhân gây hư hỏng do sét cảm ứng.
1.4.6 Sét chuỗi (Multiple stroke lightning)
Một số tia sét không chỉ xảy ra một lần mà còn theo nhiều nhịp liên tiếp, tạo thành chuỗi các xung điện ngắn trong cùng một đường dẫn ion hóa Mỗi xung trong chuỗi có thể mang năng lượng cao và xuất hiện cách nhau chỉ vài phần nghìn giây Sét chuỗi có khả năng gây ra hư hại lặp lại tại cùng một điểm đánh, làm tăng nguy cơ cháy nổ và làm vỡ bề mặt vật liệu bị tác động.
1.4.7 Sét dải rộng (Ribbon lightning)
Sét dải rộng thường xuất hiện dưới điều kiện gió mạnh khi tia sét chính bị lệch nhiều lần do sự thay đổi vị trí của các dòng khí trong khí quyển Hiện tượng này tạo ra những vệt sáng lớn như dải ruy băng trên bầu trời, đi kèm với nhiều nhánh sét phụ, làm tăng phạm vi ảnh hưởng trên mặt đất Tuy loại sét này ít gặp hơn các loại sét khác nhưng gây khó khăn trong việc xác định chính xác vùng nguy hiểm để bảo vệ các công trình.
Hiểu rõ các loại sét là yếu tố bắt buộc đối với kỹ sư thiết kế hệ thống chống sét để đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối ưu Mỗi loại sét có đặc điểm, cơ chế tác động và mức độ rủi ro khác nhau, đòi hỏi các giải pháp phòng ngừa phù hợp Trong các chương tiếp theo của luận văn, hệ thống chống sét cho tòa nhà C1 sẽ tập trung vào các dạng nguy hiểm chính như sét đánh trực tiếp, sét lan truyền và sét cảm ứng, những yếu tố nguy hiểm phổ biến nhất tại khu vực thành phố Thái Nguyên có mật độ công trình cao và thiết bị điện tử phong phú.
Tác hại của sét
Sét là một hiện tượng thiên nhiên có sức tàn phá lớn, gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng cho các công trình xây dựng, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng với mật độ thiết bị điện tử và hệ thống hạ tầng kỹ thuật ngày càng gia tăng Các tác động của sét bao gồm gây hỏng hóc thiết bị điện tử, làm gián đoạn hoạt động của hệ thống kỹ thuật, và làm suy yếu kết cấu công trình, dẫn đến thiệt hại kinh tế đáng kể Do đó, việc hiểu rõ các hậu quả do sét gây ra là rất cần thiết để đề xuất các giải pháp phòng ngừa phù hợp, bảo vệ công trình và giảm thiểu thiệt hại trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt ngày càng phổ biến.
Gây cháy nổ và hỏa hoạn
Hư hỏng thiết bị điện và điện tử
Thiệt hại do sét lan truyền và sét cảm ứng là một trong những hậu quả dễ bị xem nhẹ nhưng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống điện – điện tử trong công trình Các thiết bị như máy tính, máy in, máy chiếu, hệ thống mạng, camera an ninh, hệ thống điều khiển tự động (PLC, BMS), tủ điện và các thiết bị viễn thông đều có nguy cơ bị phá hủy do dòng điện xung đột ngột từ sét lan truyền qua đường cấp điện hoặc dây tín hiệu Đặc biệt, các linh kiện bán dẫn nhạy cảm với điện áp tăng đột ngột nên dễ bị hư hỏng nặng hơn Hậu quả còn bao gồm mất dữ liệu, treo hệ thống hoặc ngưng hoạt động hoàn toàn, gây gián đoạn trong quá trình vận hành và khai thác công trình.
Tác động đến kết cấu công trình
Tia sét đánh trực tiếp vào các phần kết cấu kim loại như: cột thép, dầm mái, hệ khung kim loại hoặc hệ thống tiếp địa kém có thể gây ra hiện tượng giãn nở nhiệt cục bộ, dẫn đến nứt vỡ, biến dạng cấu trúc hoặc phá hủy lớp bảo vệ bề mặt Đối với công trình sử dụng bê tông cốt thép, khi cốt thép bị nung nóng nhanh bởi tia sét, có thể dẫn đến nứt bê tông do chênh lệch giãn nở nhiệt giữa các vật liệu. Các mối hàn kim loại hoặc bu lông kết cấu cũng có thể bị phá hủy nếu không có biện pháp tiếp địa và bảo vệ điện đúng tiêu chuẩn Về lâu dài, những tổn thất này làm suy giảm độ bền vững của công trình, tăng nguy cơ sụp đổ hoặc mất an toàn kết cấu trong điều kiện khai thác tiếp theo.
Nguy cơ cho tính mạng và sức khỏe con người
Sét đánh trực tiếp vào người có thể gây hậu quả nghiêm trọng hoặc tử vong ngay lập tức, như tổn thương hệ thần kinh, rối loạn tim mạch, bỏng nặng hoặc mất ý thức Trong các trường hợp khác, sét gián tiếp truyền qua các thiết bị dẫn điện như cửa sắt, lan can, hệ thống nước hoặc điện thoại bàn, gây sốc điện, co giật và chấn thương nội tạng Các tai nạn do sét không chỉ xảy ra ngoài trời mà còn có thể xảy ra trong nhà nếu công trình không được trang bị hệ thống chống sét phù hợp.
Gây gián đoạn sản xuất và tổn thất kinh tế
Trong môi trường sản xuất công nghiệp hoặc văn phòng điều hành, hệ thống điện và thiết bị điều khiển bị tê liệt do sét có thể khiến toàn bộ dây chuyền ngưng hoạt động, gây thiệt hại về năng suất, hư hỏng nguyên vật liệu, sản phẩm dở dang và mất dữ liệu quan trọng Đối với các tòa nhà văn phòng, trung tâm dữ liệu hoặc trường học như C1 – Trường ĐH CNTT&TT, sự cố mất điện có thể ảnh hưởng đến hàng trăm người, gây ra chi phí lớn cho việc sửa chữa, khôi phục hệ thống và đảm bảo vận hành trở lại Chính vì vậy, việc phòng chống sét hiệu quả là yếu tố cần thiết để bảo vệ hệ thống điện, tránh thiệt hại và giảm thiểu rủi ro gián đoạn công việc và học tập.
Hình 1.3 Hậu quả của sét
Sét không chỉ là sự cố ngẫu nhiên mà còn là nguy cơ thực sự đe dọa an toàn công trình, tính mạng con người và hiệu quả vận hành kinh tế Việc thiết kế hệ thống chống sét theo tiêu chuẩn, bao gồm các kịch bản sét trực tiếp, sét lan truyền và sét cảm ứng, là bắt buộc đối với mọi công trình hiện đại Đặc biệt, tại các khu vực có tần suất giông sét cao như tỉnh Thái Nguyên, việc áp dụng các giải pháp chống sét hiệu quả càng trở nên cần thiết để đảm bảo an toàn tối đa.
Các phương pháp chống sét hiện nay
Trước những hậu quả nghiêm trọng do sét gây ra đối với công trình, thiết bị và con người, việc lắp đặt hệ thống chống sét hiệu quả là một yếu tố không thể thiếu trong thiết kế xây dựng hiện đại Hệ thống chống sét giúp bảo vệ công trình khỏi các tác động của sét, đảm bảo an toàn cho người và duy trì hoạt động liên tục của thiết bị điện tử Do đó, trang bị hệ thống chống sét phù hợp không chỉ là một yêu cầu kỹ thuật mà còn là biện pháp phòng ngừa rủi ro, góp phần nâng cao độ bền và an toàn của công trình xây dựng.
Các hệ thống chống sét ngày nay được chia thành hai loại chính: chống sét trực tiếp và chống sét lan truyền Việc kết hợp cả hai hệ thống trong một giải pháp tổng thể – đồng bộ giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ cho toàn bộ công trình Đây là cách tối ưu để đảm bảo an toàn và chống chịu hiệu quả trước các tác động của sét.
Hình 1.4 Cơ bản về hoạt động của hệ thống chống
1.6.1 Hệ thống chống sét trực tiếp
Hệ thống chống sét trực tiếp là giải pháp quan trọng giúp bảo vệ con người và tài sản khỏi tác động của sét đánh Hệ thống này thiết kế để chủ động thu và dẫn dòng điện sét từ điểm đánh trên cao xuống đất an toàn, ngăn chặn dòng sét đi xuyên qua kết cấu công trình hoặc thiết bị bên trong Nhờ đó, hệ thống chống sét trực tiếp giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản do sét gây ra, đảm bảo an toàn tối đa cho công trình và mọi người xung quanh.
Hệ thống chống sét hoạt động dựa trên nguyên lý đặt các thiết bị thu sét tại những vị trí cao nhất của công trình như đỉnh mái nhà hoặc đỉnh tháp, nhằm tạo ra "điểm đón" sét hấp thụ dòng sét thay vì để sét đánh trực tiếp vào các phần không được bảo vệ Các thiết bị này thu sét và dẫn dòng điện qua các dây thoát sét có tiết diện lớn và lớp dẫn điện tốt, thường là dây đồng hoặc nhôm, để truyền dòng sét xuống hệ thống đấu nối tiếp địa nhằm bảo vệ kết cấu công trình.
Theo TCVN 9385:2012 và IEC 62305-3, hệ thống chống sét trực tiếp được chia làm ba thành phần chính:
Kim thu sét (Air Terminal) là bộ phận tiếp nhận sét gồm các kim loại nhọn hoặc hệ thống dây dẫn bố trí trên đỉnh công trình để bảo vệ khỏi sét Có hai loại kim phổ biến: kim Franklin cổ điển, hoạt động theo nguyên lý thụ động dựa trên phương pháp bán kính bảo vệ theo mô hình quả cầu lăn, và kim phát tia tiên đạo sớm (ESE), công nghệ hiện đại giúp phát ion hóa sớm để mở rộng phạm vi bảo vệ lên tới 80–120 mét, phù hợp cho các công trình lớn, cao tầng hoặc có yêu cầu bảo vệ cao như nhà xưởng công nghiệp, bệnh viện, trạm xăng dầu.
Dây dẫn sét (Down Conductor):
Dây dẫn sét có vai trò dẫn dòng điện từ kim thu sét xuống hệ thống tiếp địa, đảm bảo an toàn cho công trình Để tối ưu hiệu quả, dây dẫn sét phải có tiết diện đủ lớn và được cố định chắc chắn theo đường ngắn nhất để giảm thiểu điện trở và tổn thất năng lượng Thường sử dụng dây đồng trần, dây đồng bện hoặc dây thép mạ đồng có khả năng chịu đựng cường độ dòng sét lên đến hàng trăm kiloampere (kA), đảm bảo an toàn tuyệt đối khi xảy ra sét đánh.
Hệ thống tiếp địa (Grounding System):
Hệ thống đất tiếp địa là nơi phân tán toàn bộ dòng điện sét xuống lòng đất một cách an toàn, bao gồm cọc tiếp địa thường là thép mạ đồng dài từ 2.4 đến 3 mét, được chôn sâu xuống đất để đảm bảo khả năng dẫn điện tốt Dây nối đất kết nối giữa cọc tiếp địa và hệ thống dây dẫn sét, giúp truyền tải dòng điện sét hiệu quả Ngoài ra, hố kiểm tra điện trở được sử dụng để đo điện trở của hệ thống tiếp địa, với giá trị tiêu chuẩn thường nhỏ hơn 10Ω, đảm bảo hệ thống tiếp đất hoạt động tối ưu và an toàn.
Việc tính toán đúng vùng bảo vệ, khoảng cách an toàn, điện trở đất và bố trí vật liệu phù hợp là yếu tố quan trọng đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và bền vững.
1.6.2 Hệ thống chống sét lan truyền
Hệ thống chống sét lan truyền giúp bảo vệ thiết bị điện tử, thiết bị điện và hệ thống tín hiệu điều khiển khỏi các xung sét lan truyền qua đường dây điện hoặc cáp viễn thông Phương pháp bảo vệ này mang tính gián tiếp nhưng rất cần thiết, vì hầu hết thiệt hại do sét trong công trình đều bắt nguồn từ sét lan truyền Việc lắp đặt hệ thống chống sét lan truyền là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu tổn thất và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện và thiết bị.
Các thành phần chính của hệ thống chống sét lan truyền bao gồm:
Thiết bị cắt lọc sét – SPD (Surge Protective Device): o SPD cấp I: Chịu được dòng sét lớn nhất, thường lắp ở tủ điện chính, nơi tiếp nhận nguồn điện từ lưới. o SPD cấp II: Lắp tại tủ phân phối tầng, triệt tiêu xung còn sót lại sau SPD cấp I. o SPD cấp III: Bảo vệ thiết bị đầu cuối như ổ cắm, máy tính, thiết bị văn phòng.
Thiết bị bảo vệ đường tín hiệu:
Sét không chỉ lan theo nguồn điện mà còn lan truyền theo các cáp tín hiệu (RS-232, RS-485, Ethernet, HDMI, tín hiệu điều khiển ) Việc lắp đặt bộ lọc xung, thiết bị cắt sét chuyên dụng cho từng đường truyền là cần thiết để tránh cháy vi mạch và mất tín hiệu.
Hệ thống nối đất chung:
SPD chỉ phát huy tác dụng khi được kết nối đúng kỹ thuật với hệ thống tiếp địa có điện trở đạt chuẩn Hệ thống tiếp địa giữa chống sét trực tiếp và lan truyền cần liên kết điện trở, tránh hiện tượng chênh lệch điện áp giữa các điểm đất.
Giải pháp đồng bộ – Tích hợp cả chống sét trực tiếp và lan truyền
Trong các công trình hiện đại, đặc biệt là các tòa nhà giáo dục như tòa nhà C1 – Trường Đại học CNTT&TT, nơi có nhiều người sử dụng và thiết bị điện tử nhạy cảm, giải pháp hiệu quả nhất để bảo vệ an toàn là thiết kế tích hợp cả hệ thống chống sét trực tiếp và chống sét lan truyền.
Giải pháp đồng bộ bao gồm:
Lắp đặt kim thu sét ESE phù hợp với bán kính bảo vệ đã tính toán.
Bố trí hệ thống dây dẫn và tiếp địa liên thông giữa các phần.
Lắp SPD theo phân cấp (I – II – III) cho cả nguồn điện và tín hiệu. Áp dụng mô hình phân vùng bảo vệ điện từ (EMZ).
Liên kết hệ thống tiếp địa giữa điện lực, viễn thông, an ninh, điều khiển tự động
Giải pháp này không chỉ đảm bảo an toàn cho công trình và con người mà còn giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị, duy trì hoạt động liên tục, tránh thiệt hại gián tiếp về kinh tế.
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý kim thu sét kiểu
Tiêu chuẩn áp dụng trong thiết kế chống sét
Việc thiết kế, thi công và kiểm tra hệ thống chống sét đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho công trình dân dụng, công nghiệp và hạ tầng kỹ thuật Để hệ thống chống sét hoạt động hiệu quả và bền vững, tất cả các bước trong quá trình thiết kế và lắp đặt phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật đã được ban hành Việc tuân thủ tiêu chuẩn giúp đảm bảo sự đồng bộ trong hệ thống, an toàn điện, tính pháp lý và hiệu quả vận hành thực tế của hệ thống chống sét.
Các tiêu chuẩn này quy định rõ nguyên tắc thiết kế, phương pháp tính toán, cách lựa chọn vật liệu và thiết bị phù hợp, cũng như cấu hình hệ thống để đảm bảo an toàn Chúng còn xác định mức độ bảo vệ, yêu cầu kiểm tra định kỳ và công tác bảo trì hệ thống nhằm tăng độ bền và độ tin cậy Mỗi tiêu chuẩn được xây dựng phù hợp với điều kiện cụ thể của từng loại công trình, vùng địa lý, cường độ sét, tính chất sử dụng và các yêu cầu an toàn, giúp đảm bảo hệ thống chống sét hoạt động hiệu quả và an toàn trong mọi hoàn cảnh.
Dưới đa là các bộ tiêu chuẩn chủ yếu đang được aps dụng rộng rãi tại Việt Nam và trên thế giới:
1.7.1 TCVN 9385:2012 – Hệ thống chống sét cho công trình xây dựng Đây là tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành, dựa trên các nguyên tắc của tiêu chuẩn quốc tế IEC 62305 Nội dung tiêu chuẩn bao gồm:
Hướng dẫn thiết kế và lắp đặt hệ thống chống sét trực tiếp cho công trình dân dụng và công nghiệp.
Quy định về bán kính bảo vệ của kim thu sét, cách tính toán khu vực an toàn.
Hướng dẫn lắp đặt dây dẫn sét, bố trí hệ thống tiếp địa, điện trở tiếp đất yêu cầu.
Quy định về kiểm tra và bảo trì định kỳ hệ thống chống sét.
TCVN 9385 là căn cứ pháp lý quan trọng được yêu cầu trong hồ sơ thiết kế thi công và nghiệm thu công trình tại Việt Nam.
1.7.2 TCVN 9386:2012 – Bảo vệ thiết bị điện và điện tử
Tiêu chuẩn này quy định các phương pháp bảo vệ thiết bị điện và điện tử trong công trình khỏi ảnh hưởng của xung sét lan truyền,bao gồm:
Lựa chọn và lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền (SPD) theo cấp độ bảo vệ (I, II, III).
Quy định cách bố trí SPD tại các tủ điện chính, phụ và điểm đầu vào thiết bị.
Kết nối hệ thống SPD với tiếp địa chuẩn kỹ thuật.
Bảo vệ tín hiệu điều khiển, cáp mạng, camera, điện thoại khỏi nhiễu và xung quá áp.
TCVN 9386:2012 đặc biệt cần thiết với các công trình có hệ thống điều khiển tự động, mạng thông tin và thiết bị điện tử nhạy cảm như: bệnh viện, trường học, nhà máy.
1.7.3 IEC 62305 (Parts 1–4) – Tiêu chuẩn quốc tế về bảo vệ chống sét toàn diện
IEC 62305 là bộ tiêu chuẩn quốc tế do ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc Tế IEC ban hành, được công nhận là tiêu chuẩn toàn cầu trong lĩnh vực thiết kế và thi công hệ thống chống sét toàn diện Bộ tiêu chuẩn này đóng vai trò làm cơ sở pháp lý cho nhiều quốc gia, bao gồm Việt Nam, thông qua việc nội luật hóa trong TCVN 9385:2012.
IEC 62305-1 cung cấp cái nhìn tổng thể về hiện tượng sét, bao gồm cơ chế hình thành và tác động của sét đối với công trình xây dựng, thiết bị, con người và hệ thống điện tử Phần này giới thiệu các định nghĩa và thuật ngữ chuẩn hóa liên quan đến sét, đồng thời phân loại các loại sét để xác định các hình thức tổn hại như sét đánh trực tiếp và sét lan truyền, giúp nâng cao hiệu quả bảo vệ công trình khỏi tác động của sét.
Mô hình tính toán tác động sét là bước quan trọng giúp đánh giá nguy cơ và mức độ ảnh hưởng của sét đến hệ thống Nguyên lý thiết lập cấp độ bảo vệ dựa trên rủi ro là yếu tố cốt lõi để đảm bảo hệ thống chống sét hoạt động hiệu quả Việc hiểu rõ nguyên tắc này là nền tảng bắt buộc trước khi triển khai thiết kế hệ thống chống sét nhằm đảm bảo an toàn và độ tin cậy cao.
IEC 62305-2 là phương pháp đánh giá rủi ro sét dựa trên đánh giá định lượng mức độ nguy hiểm, nhằm xác định mức độ cần thiết của hệ thống chống sét phù hợp (từ Level I đến Level IV) Quá trình này bao gồm tính xác suất sét đánh vào công trình dựa trên vị trí địa lý, diện tích bề mặt và chiều cao công trình; xác định hậu quả của sét về con người, dịch vụ công cộng, tài sản vật lý và dữ liệu; so sánh rủi ro thực tế với mức rủi ro chấp nhận được (tolerable risk); và đề xuất các biện pháp bảo vệ phù hợp như chống sét trực tiếp (LPS), chống lan truyền (SPD), hay cách điện, đặc biệt quan trọng đối với các công trình lớn như nhà máy, bệnh viện, trung tâm dữ liệu, nhằm đảm bảo an toàn và giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra.
IEC 62305-3 là tiêu chuẩn phổ biến nhất trong thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp (LPS – Lightning Protection System) cho các công trình thực tế Tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn chi tiết về cách thiết kế và bố trí kim thu sét như kim Franklin, dây lưới, và kim ESE, cùng với phương pháp tính toán bán kính bảo vệ dựa trên mô hình quả cầu lăn (rolling sphere method) Ngoài ra, IEC 62305-3 quy định cách bố trí dây dẫn sét xuống đất sao cho tránh khúc ngoặt, giảm cảm kháng, đồng thời hướng dẫn thiết kế hệ thống tiếp địa với điện trở ≤ 10 Ω để đảm bảo cấp bảo vệ III, cũng như các biện pháp ngăn chặn tia lửa nhảy (sparking) giữa hệ thống LPS và các hệ thống kim loại khác trong công trình.
IEC 62305-4 tập trung vào việc bảo vệ hệ thống điện và điện tử trong công trình khỏi xung sét lan truyền, bao gồm lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền (SPD) tại các điểm quan trọng như tủ điện chính, mạng LAN và đường truyền tín hiệu để ngăn chặn tác động của nhiễu điện từ do sét gây ra Thiết kế mạng lưới nối đất chung (MESH-BN) nhằm giảm chênh lệch điện thế trong công trình, đồng thời bố trí vùng bảo vệ phân cấp (LPZ – Lightning Protection Zones) từ bên ngoài vào trung tâm để đảm bảo an toàn tối đa Ngoài ra, việc đảm bảo tính liên tục chức năng cho các thiết bị nhạy cảm như máy chủ, thiết bị y tế và hệ thống điều khiển SCADA là yếu tố quan trọng trong chiến lược bảo vệ hệ thống điện, giúp duy trì hoạt động liên tục và giảm thiểu rủi ro do sét lan truyền gây ra.
Tuân thủ IEC 62305 là yếu tố then chốt để thiết kế hệ thống chống sét đạt hiệu quả cao và phù hợp với các tiêu chuẩn toàn cầu Điều này đặc biệt quan trọng trong các dự án hợp tác quốc tế, công trình sử dụng thiết bị nhập khẩu, hoặc khi đáp ứng các yêu cầu đấu thầu nước ngoài Việc tuân thủ chuẩn quốc tế giúp nâng cao tính cạnh tranh và đảm bảo an toàn cho hệ thống điện trong các công trình đa quốc gia.
1.7.4 NF C 17-102 – Tiêu chuẩn Pháp về kim thu sét sớm (ESE) Đây là tiêu chuẩn chuyên biệt của Pháp, quy định về thiết kế và thử nghiệm kim thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE – Early Streamer Emission) Các nội dung chính bao gồm:
Định nghĩa và đặc tính kỹ thuật của kim ESE.
Phương pháp tính toán bán kính bảo vệ dựa trên thời gian phát xạ sớm ΔT.
Yêu cầu thử nghiệm hiệu suất tại phòng thí nghiệm theo điều kiện mô phỏng.
Quy định về lắp đặt, chiều cao tối thiểu, và khoảng cách an toàn.
Chương 1 đã trình bày một cách hệ thống và toàn diện các kiến thức nền tảng liên quan đến hiện tượng giông sét – từ bản chất vật lý, cơ chế hình thành, phân loại các dạng sét cho đến tác động thực tế của sét đối với công trình, thiết bị điện tử và con người. Thông qua việc phân tích các hậu quả nghiêm trọng của sét, chương cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xây dựng hệ thống chống sét hiệu quả trong thiết kế công trình hiện đại. Đồng thời, chương đã phân loại rõ ràng hai nhóm phương pháp chống sét phổ biến hiện nay: hệ thống chống sét trực tiếp và hệ thống chống sét lan truyền, từ đó làm rõ vai trò, nguyên lý hoạt động và cấu thành cơ bản của mỗi nhóm Bên cạnh đó, giải pháp chống sét đồng bộ cũng được đề cập như là hướng tiếp cận tối ưu nhằm đảm bảo an toàn toàn diện cho công trình – đặc biệt là với những kiến trúc có quy mô lớn, mật độ thiết bị điện cao như tòa nhàC1 Đây là cơ sở để bước sang chương 2, tiến hành thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho tòa nhà C1 – Trường Đại học CNTT&TT.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG SÉT TRỰC TIẾP19 2.1 Cơ sở thiết kế
Các tiêu chuẩn áp dụng
TCVN 9385:2012 – Chống sét cho công trình xây dựng –
Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra hệ thống chống sét:
Tiêu chuẩn quốc gia do Bộ Khoa học và Công nghệ ban hành quy định rõ các yêu cầu về bán kính bảo vệ và lựa chọn kim thu sét phù hợp để đảm bảo an toàn trước thiên tai Hệ thống dây dẫn sét phải được thiết kế đúng kỹ thuật nhằm tối ưu bảo vệ công trình và người dân Bố trí hệ thống tiếp địa chính xác giúp giảm thiểu nguy cơ rò rỉ điện và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống chống sét Ngoài ra, tiêu chuẩn còn đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt về kiểm tra và bảo trì định kỳ để duy trì hiệu quả và độ bền của hệ thống chống sét theo thời gian.
IEC 62305-1:2010 – Nguyên lý cơ bản về bảo vệ chống sét:
Trình bày các khái niệm nền tảng về rủi ro sét, đối tượng cần bảo vệ và nguyên lý hệ thống LPS (Lightning Protection System).
IEC 62305-2:2010 – Đánh giá rủi ro do sét:
This guide outlines the method for conducting risk analysis and determining the appropriate Lightning Protection Level (LPL) to ensure adequate protection By assessing potential lightning hazards, you can identify the necessary level of safety measures Based on this analysis, selecting the suitable system configuration becomes crucial to effectively safeguard infrastructure and assets Implementing a tailored lightning protection strategy helps minimize critical damage and enhances overall safety, aligning with best practices and compliance standards.
IEC 62305-3:2010 – Bảo vệ vật lý cho công trình và con người:
Focus on detailed design aspects of the direct lightning protection system, including lightning rods, down conductors, grounding systems, and safe separation distances to ensure optimal safety and compliance with standards.
Các yếu tố kỹ thuật làm cơ sở thiết kế
Dựa trên đặc điểm của tòa nhà C1 - Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, các yếu tố kỹ thuật quan trọng như chiều cao mỗi tầng 3,5 mét và tổng số 5 tầng được sử dụng làm cơ sở thiết kế Việc xác định chiều cao tầng phù hợp đảm bảo tính khả thi của công trình, tối ưu không gian và đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế, đảm bảo công trình đạt chất lượng cao và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của trường đại học.
Dự án có tổng chiều cao khoảng 17,5 mét, được xây dựng với mái bằng và kết cấu bê tông cốt thép chắc chắn Vị trí của công trình nằm trong khu vực có mật độ dân cư và các công trình xây dựng dày đặc, đòi hỏi tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn xây dựng Thái Nguyên là khu vực có tần suất sét trung bình nhiều năm tương đối cao, do đó, thiết kế công trình cần đảm bảo khả năng chịu lực và chống sét hiệu quả, phù hợp với đặc điểm khí hậu địa phương.
Cấp bảo vệ cần thiết (LPL):
Dựa trên phân tích rủi ro sơ bộ, tòa nhà C1 thuộc nhóm công trình giáo dục công cộng có mật độ người sử dụng cao và chứa nhiều thiết bị điện tử, yêu cầu lựa chọn cấp bảo vệ chống sét Level II hoặc Level III Việc chọn cấp bảo vệ phù hợp phụ thuộc vào khoảng cách đến các công trình lân cận và khu vực có nguy cơ lan truyền sét cao, nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho công trình và người sử dụng.
Phương án được xem xét trong thiết kế là sử dụng kim thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE) để tối ưu vùng bảo vệ Điều này giúp giảm số lượng kim và dây dẫn, đồng thời bao phủ được toàn bộ mái công trình.
Phương pháp tính vùng bảo vệ:
Sử dụng mô hình bán kính bảo vệ hình nón quay (Rolling Sphere Method) theo tiêu chuẩn IEC 62305-3 giúp xác định rõ vùng bảo vệ chống sét hiệu quả Ngoài ra, phương pháp bán kính bảo vệ dạng hình chiếu (Protection Angle Method) cũng được áp dụng để tăng độ chính xác trong thiết kế hệ thống chống sét Kết hợp với thông số ΔT (thời gian phát tia tiên đạo sớm) của kim ESE theo tiêu chuẩn NF C 17-102, giúp xác định chính xác vùng bảo vệ cụ thể cho từng vị trí đặt kim sét Việc sử dụng các phương pháp này đảm bảo an toàn tối đa và tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống chống sét trên công trình.
Thông tin công trình
2.2.1 Tên và vị trí công trình
Tên công trình: Tòa nhà C1 – Trường Đại học Công nghệ
Thông tin và Truyền thông (Đại học Thái Nguyên)
Hình 2.1 Toà nhà C1 Địa điểm xây dựng: Phường Tân Thịnh, Thành phố Thái
Nguyên, Tỉnh Thái Nguyên – Khu vực miền núi trung du Bắc Bộ có điều kiện địa lý phức tạp và mật độ giông sét trung bình cao trong năm.
Tòa nhà C1 là công trình phục vụ giảng dạy và học tập của trường, nằm trong khối giảng đường trung tâm với mật độ người sử dụng cao như giảng viên và sinh viên Đây là địa điểm quan trọng để triển khai các hoạt động đào tạo, nghiên cứu và quản lý học tập Tòa nhà còn được trang bị nhiều thiết bị điện tử và công nghệ cao, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và nghiên cứu trong trường.
2.2.2 Quy mô và kích thước công trình
Dựa trên kết quả khảo sát thực tế, công trình có thông số kích thước chính như sau:
Chiều cao: 5 tầng × 3.5 mét/tầng = 17.5 mét
Tổng diện tích sàn: 900 m² × 5 tầng = 4.500 m²
Với tổng diện tích sàn trên 4.000 m² và chiều cao gần 18 mét, công trình được xếp vào loại công trình dân dụng quy mô vừa, tuy nhiên do thuộc khu vực giáo dục – đào tạo và có tần suất sử dụng cao, việc thiết kế hệ thống chống sét cần đảm bảo mức độ bảo vệ cao, đồng thời phù hợp với tiêu chuẩn cấp III hoặc cấp II theo phân loại của TCVN 9385:2012.
2.2.3 Kết cấu và hình dạng kiến trúc
Hình dạng mái bằng, được đổ bê tông toàn khối, không có các chi tiết kiến trúc đặc biệt hoặc thiết bị kỹ thuật nhô cao như ống khói, bồn nước, ăng-ten, giúp tạo mặt phẳng rộng và thông thoáng cho mái Mái bằng còn thuận lợi cho việc lắp đặt hệ thống kim thu sét kiểu thanh đơn dạng ESE nhờ bề mặt phẳng và dễ thi công Cấu trúc mái này cho phép bố trí đường thoát sét một cách trực tiếp, ngắn gọn, tránh uốn cong nhằm giảm trở cảm ứng khi dẫn dòng sét xuống đất, tăng tính an toàn cho công trình.
Kết cấu công trình chủ yếu bằng bê tông cốt thép, đảm bảo độ cứng và khả năng dẫn điện phù hợp cho hệ thống chống sét Mặt mái đổ bê tông chịu lực phủ lớp vật liệu chống thấm chuyên dụng, không gây cản trở cho việc lắp đặt móc neo, chân đế kim thu sét hoặc giá đỡ thiết bị bảo vệ Sàn và mái bê tông cốt thép đổ liền mạch giúp tăng cường độ bền và khả năng dẫn dòng điện của hệ thống chống sét, góp phần giảm thiểu rủi ro cháy nổ do sét đánh Do cấu trúc chính chưa tích hợp hệ thống chống sét trực tiếp, việc thiết kế bổ sung đồng bộ các thành phần như kim thu, dây dẫn và hệ thống tiếp địa là cần thiết để đảm bảo hiệu quả bảo vệ toàn diện cho công trình.
Vật liệu chính cho công trình bao gồm vỏ tường ngoài từ gạch xây và bê tông, đảm bảo độ bền vững và cách nhiệt Các cửa sổ được trang bị khung nhôm kính giúp tối ưu hóa ánh sáng tự nhiên và khả năng cách âm Hệ thống thiết bị chiếu sáng và thông gió cơ bản được lắp đặt tại các tầng, mang lại sự thông thoáng và tiện nghi cho cư dân.
2.2.4 Đặc điểm sử dụng và yêu cầu bảo vệ
Chức năng sử dụng: Giảng đường, phòng học, phòng thí nghiệm thực hành, văn phòng khoa.
Tải trọng công suất điện: Cao, do sử dụng thiết bị máy tính, máy chiếu, thiết bị mạng, hệ thống camera, tủ điện trung gian, điều hòa trung tâm.
Mức độ rủi ro: Cao, do kết hợp giữa yếu tố con người, thiết bị điện tử và dữ liệu học thuật quan trọng.
2.2.5 Điều kiện môi trường xung quanh
Khu vực xung quanh: Có các tòa nhà khác thấp hơn hoặc ngang bằng, không có các công trình công nghiệp hay trạm BTS gần kề.
Cây xanh và vật cản: Thấp, chủ yếu là cây bóng mát, không ảnh hưởng lớn đến vùng bảo vệ.
Hệ thống tiếp địa hiện hữu: Chưa có hoặc không đảm bảo tiêu chuẩn, cần thiết kế mới hoàn toàn.
Việc xác định cấp bảo vệ chống sét (Lightning Protection Level - LPL) là bước quan trọng trong thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho công trình LPL ảnh hưởng trực tiếp đến các yếu tố kỹ thuật như bán kính bảo vệ của kim thu sét, khoảng cách an toàn điện (separation distance), khả năng chịu dòng của dây dẫn và hệ thống tiếp địa Chọn đúng cấp bảo vệ chống sét đảm bảo an toàn tối đa cho công trình và tối ưu hiệu quả của hệ thống chống sét.
Lựa chọn cấp bảo vệ
2.3.1 Cơ sở lựa chọn cấp bảo vệ
Theo TCVN 9385:2012, cấp bảo vệ được lựa chọn dựa trên:
- Chức năng sử dụng công trình
- Mức độ nguy hiểm đối với con người
- Mức độ ảnh hưởng đến tài sản và thiết bị điện tử
- Mật độ giông sét tại khu vực xây dựng
Tòa nhà C1 – Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông là công trình giáo dục công cộng có mật độ người sử dụng trung bình và không chứa hóa chất dễ cháy nổ, đảm bảo an toàn cháy nổ Nằm trong khu dân cư có các công trình lân cận có chiều cao tương đương, tòa nhà phù hợp với quy hoạch khu vực Theo bản đồ phân bố mật độ sét của Tổng cục Khí tượng Thủy văn, khu vực TP Thái Nguyên có số ngày giông trung bình hàng năm ở mức trung bình đến cao, đòi hỏi các giải pháp phòng chống thiên tai hiệu quả.
Dựa trên các yếu tố đã phân tích và theo bảng phân loại trong tiêu chuẩn TCVN 9385:2012, công trình được xác định thuộc nhóm công trình loại II Do đó, việc lựa chọn Cấp bảo vệ chống sét III là phù hợp và đảm bảo an toàn cho công trình trong quá trình thi công và sử dụng.
2.3.2 Đặc điểm của cấp bảo vệ III
Trong hệ thống bảo vệ chống sét, việc phân loại cấp bảo vệ là yếu tố quyết định phạm vi bảo vệ, giúp lựa chọn thiết bị và cấu hình phù hợp với mức độ rủi ro của từng công trình Theo tiêu chuẩn TCVN 9385:2012 và IEC 62305, hệ thống chống sét được chia thành bốn cấp từ I đến IV, trong đó cấp III thường được áp dụng cho các công trình có quy mô trung bình và mức độ quan trọng vừa phải, nằm ở khu vực có mật độ sét trung bình.
Cấp bảo vệ III cung cấp một mức độ an toàn hợp lý, đảm bảo khả năng chống lại dòng sét trực tiếp có cường độ lên đến 100 kA với xác suất sót sét thấp (1%) Đồng thời, yêu cầu về điện trở nối đất cũng được quy định ở mức không vượt quá 10 Ω, nhằm đảm bảo khả năng tản dòng sét xuống đất hiệu quả, tránh hiện tượng phát xạ điện hoặc phóng hồ quang nguy hiểm.
Các thông số kỹ thuật đặc trưng cho cấp bảo vệ III đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống chống sét, bao gồm việc tính toán, lựa chọn bán kính bảo vệ, cấu hình kim thu sét và hệ thống tiếp địa phù hợp Những thông số này được trình bày chi tiết trong bảng dưới đây, giúp đảm bảo hệ thống chống sét đạt tiêu chuẩn an toàn cao nhất Việc nắm rõ các thông số kỹ thuật cấp bảo vệ III là bước không thể bỏ qua để đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối ưu cho công trình và thiết bị điện.
Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật theo Cấp bảo vệ III (theo TCVN 9385 / IEC 62305)
Thông số kỹ thuật Cấp bảo vệ III (theo TCVN 9385 /
Bán kính quả cầu lăn
Xác suất bị sét đánh còn lại
1% Điện trở tiếp địa khuyến nghị
Tần suất giông khu vực (k)
Theo bản đồ khí tượng, khu vực miền
Các thông số đã được xác định để làm hệ số đầu vào quan trọng trong quá trình tính toán bán kính bảo vệ, từ đó lựa chọn kim thu sét phù hợp nhất Những dữ liệu này còn phục vụ trong thiết kế tiết diện dây dẫn sét nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho hệ thống, đồng thời đáp ứng các yêu cầu tiếp địa cần thiết để đảm bảo hiệu quả bảo vệ toàn diện.
Trong thiết kế hệ thống chống sét cho công trình xây dựng, đặc biệt là công trình công cộng như giảng đường, việc lựa chọn đúng cấp độ bảo vệ theo tiêu chuẩn không chỉ là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc, mà còn mang lại nhiều lợi ích thiết thực về mặt an toàn, kinh tế và vận hành Đối với Tòa nhà C1 – Trường Đại học CNTT&TT Thái Nguyên, việc xác định và áp dụng Cấp bảo vệ chống sét III mang những ý nghĩa thiết kế cụ thể như sau: Đảm bảo an toàn cho con người trong không gian sử dụng chung, toà nhà C1 là nơi tập trung đông giảng viên và cán bộ làm việc mỗi ngày Hệ thống chống sét được thiết kế đúng cấp độ sẽ: o Ngăn chặn nguy cơ điện giật gián tiếp do điện áp bước, điện áp tiếp xúc khi có sét đánh gần o Tránh các sự cố gây hoảng loạn, cháy nổ hoặc hư hại công trình trong thời gian diễn ra các hoạt động giảng dạy o Góp phần đảm bảo môi trường học tập và làm việc an toàn – liên tục – ổn định.
Bảo vệ thiết bị điện tử quan trọng trong tòa nhà là điều thiết yếu, đặc biệt khi nhiều thiết bị nhạy cảm với xung sét như máy tính, máy chiếu, tủ mạng, hệ thống điều khiển tự động, camera an ninh, thiết bị âm thanh – ánh sáng, router, switch và các thiết bị điện tử khác cần được trang bị giải pháp chống sét để đảm bảo an toàn và hoạt động ổn định.
Việc lựa chọn cấp bảo vệ III dựa trên đánh giá rủi ro thực tế giúp tối ưu chi phí đầu tư và vận hành, tránh chi tiêu quá mức vào hệ thống chống sét cấp I hoặc II có yêu cầu kỹ thuật phức tạp và chi phí cao Đồng thời, phương pháp này đảm bảo không hạ thấp mức độ bảo vệ, duy trì an toàn theo tiêu chuẩn quốc gia Nhờ đó, doanh nghiệp có thể cân đối hiệu quả giữa chi phí ban đầu và lợi ích lâu dài, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống chống sét.
Thiết kế cấp bảo vệ III phù hợp với quy mô công trình nhà học 5 tầng, diện tích sàn 4.500 m², không chứa yếu tố nguy hiểm đặc biệt như khí dễ cháy, hóa chất hoặc thiết bị nhạy cảm Ngoài ra, phù hợp với khu vực đô thị có các công trình lân cận cùng chiều cao, đảm bảo không bị cô lập sét.
Xác định số lượng và vị trí kim thu sét
Việc xác định số lượng kim thu sét và vị trí lắp đặt là bước quan trọng trong quy trình thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp Mục tiêu chính là đảm bảo toàn bộ mái công trình, các thiết bị trên mái và vùng xung quanh được bao phủ bởi vùng bảo vệ của kim thu sét, giúp ngăn ngừa nguy cơ sét đánh trực tiếp gây hư hại thiết bị, công trình và đe dọa tính mạng con người.
Theo TCVN 9385:2012 (Chống sét cho công trình xây dựng –
Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống chống sét trực tiếp dựa trên tiêu chuẩn quốc tế IEC 62305-3:2010 Việc xác định vị trí và số lượng kim thu sét phải dựa trên nguyên tắc tính toán vùng bảo vệ, đặc biệt là phương pháp hình học vùng bảo vệ kiểu hình chóp (Rolling Sphere Method) Phương pháp này giúp xác định các khu vực có nguy cơ bị sét đánh bằng cách xem xét bán kính quả cầu lăn tương ứng với từng cấp độ bảo vệ, từ đó định vị kim thu sét phù hợp để đảm bảo an toàn hiệu quả.
Các tiêu chuẩn khuyến cáo cần bố trí số lượng kim thu sét hợp lý để đảm bảo vùng bảo vệ không có khoảng trống giữa các kim, qua đó tối ưu hóa hiệu quả chống sét cho công trình Yếu tố như chiều cao công trình, hình dạng mái và các thiết bị kim loại nổi trên mái đều phải được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo bao phủ đầy đủ khu vực cần bảo vệ Phương pháp tính toán theo mô hình quả cầu lăn được áp dụng để xác định chính xác số lượng kim thu sét cần thiết cho tòa nhà C1, giúp đề xuất vị trí lắp đặt tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ toàn diện.
2.4.1 Phương pháp sử dụng: Vùng bảo vệ hình chóp (Protection Angle Method)
Theo TCVN 9385:2012 và IEC 62305-3, vùng bảo vệ của hệ thống chống sét trực tiếp (kim thu sét) có thể được xác định bằng một trong ba phương pháp chính:
Phương pháp quả cầu lăn (Rolling Sphere Method) o Thường dùng cho công trình phức tạp, nhiều độ cao khác nhau
Phương pháp góc bảo vệ ( Protection Angle Method) o Áp dụng phổ biến với công trình chiều cao vừa phải
Phương pháp hình chóp quay ( Cone of Protection) o Biến thể trực quan của phương pháp góc bảo vệ, sử dụng mô hình hình học nón đơn giản.
Trong trường hợp thiết kế hệ thống chống sets cho toà nhà C1 – Trường Đại học CNTT&TT Thái Nguyên, do:
Công trình có mái bằng, hình dạng chữ nhật đơn giản
Chiều cao công trình ở mức trung bình (17,5 mét)
Không có thiết bị kỹ thuật nhô cao trên mái
Yêu cầu tính toán dễ hiểu, triển khai thi công nhanh chóng và trực quan
Phương pháp vùng bảo vệ hình chóp (hay góc bảo vệ) được xem là giải pháp tối ưu trong thiết kế hệ thống chống sét cho tòa C1 – Trường Đại học CNTT&TT Thái Nguyên Phương pháp này giúp đảm bảo an toàn tối đa bằng cách xác định rõ vùng bảo vệ và giảm thiểu nguy cơ gây hư hỏng do sét đánh Việc áp dụng hệ thống bảo vệ hình chóp nâng cao hiệu quả chống sét, đồng thời tối ưu hóa chi phí và dễ dàng thi công Do đó, chọn phương pháp vùng bảo vệ hình chóp là lựa chọn phù hợp nhất để bảo vệ công trình của trường Đại học Thái Nguyên khỏi tác động của sét.
Nguyên lý phương pháp vùng bảo vệ hình chóp:
Phương pháp này mô phỏng vùng không gian được bảo vệ bởi kim thu sét dưới dạng hình chóp tròn xoay hoặc hình nón, với đỉnh đặt tại đầu kim thu và đáy tiếp xúc với mặt phẳng cần bảo vệ Điều này giúp xác định rõ vùng an toàn mà kim thu sét có thể bảo vệ hiệu quả Công thức tính vùng bảo vệ dựa trên mô hình hình chóp giúp tối ưu hóa hiệu quả chống sét và đảm bảo an toàn cho công trình Phương pháp này là phần quan trọng trong thiết kế hệ thống chống sét nhằm đảm bảo tính khoa học và chính xác cao.
Góc đỉnh α của hình chóp (góc bảo vệ) phụ thuộc vào cấp bảo vệ được lựa chọn
Cấp bảo vệ càng cao → góc α càng nhỏ → vùng bảo vệ hẹp hơn
Giá trị góc α được tra từ bảng trong TCVN 9385:2012 hoặc IEC 62305-3 theo chiều cao kim. Ưu điểm của phương pháp này:
Tính toán nhanh chóng, phù hợp cho công trình có kiến trúc đơn giản;
Dễ dàng trực quan hóa trên bản vẽ thi công
Thuận tiện cho việc triển khai thực tế và kiểm tra nghiệm thu tại công trường
Phù hợp với hệ thống sử dụng kim Franklin cổ điển hoặc kim ESE lắp trên mái bằng.
2.4.2 Công thức tính bán kính vùng bảo vệ R
Công thức tính bán kính bảo vệ theo phương pháp hình chóp (đối với cấp bảo vệ III) được áp dụng như sau:
R: bán kính bảo vệ tại mặt đất (m)
h: chiều cao kim thu sét tính từ mặt phẳng cần bảo vệ (m)
H: bán kính quả cầu lăn theo cấp bảo vệ III (H = 45 m)
2.4.3 Áp dụng vào công trình thực tế
Chiều cao kim thu sét (h): 2 m
Để đảm bảo vùng bảo vệ ổn định và bền vững trong điều kiện thực tế như gió và nhiệt độ, việc sử dụng giá trị bảo thủ R ≈ 34 m theo thực hành kỹ thuật là phương pháp hợp lý, giúp duy trì an toàn và hiệu quả của hệ thống trong mọi tình huống.
2.4.4 Đánh giá vùng cần bảo vệ Để thiết kế hệ thống chống sét hiệu quả, việc đánh giá đúng phạm vi và đặc điểm khu vực cần bảo vệ là bước quan trọng đầu tiên Việc này giúp xác định số lượng kim thu sét, chiều cao bố trí và phạm vi phủ sóng an toàn của từng kim, từ đó đảm bảo tối ưu cả về hiệu quả kỹ thuật lẫn chi phí đầu tư.
Kích thước mái công trình: 60 m × 15 m = 900 m²
Hình dạng mái: Mái bằng hình chữ nhật, không có độ dốc lớn, không có các khối kỹ thuật nhô cao.
Yêu cầu: bảo vệ an toàn cho công trình và thiết bị, yêu cầu bảo vệ được xác định như sau
Bảo vệ toàn bộ bề mặt mái diện tích 900 m² – bao gồm cả khu vực trống và nơi đặt thiết bị
Để ngăn ngừa nguy cơ sét đánh trực tiếp, cần chú trọng đến việc bảo vệ kết cấu bê tông mái, các thiết bị gắn trên mái như camera, điều hòa và hệ thống đường cáp điện hoặc ống kỹ thuật chạy dọc theo mái Việc lắp đặt hệ thống chống sét đúng cách giúp đảm bảo an toàn cho người dùng và bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi tác động của sét đánh trực tiếp Chính sách phòng chống sét phù hợp là yếu tố then chốt để giảm thiểu rủi ro và duy trì an toàn cho toàn bộ công trình mái nhà.
Đảm bảo phạm vi bảo vệ bao trùm theo cấp độ bảo vệ III,tuân theo góc α tương ứng với chiều cao kim bố trí.
2.4.5 Sơ đồ bố trí kim thu sét
Vùng bảo vệ theo cấp bảo vệ III (theo TCVN 9385:2012) được xác định khi chiều cao của kim thu sét đạt khoảng 5 mét so với mặt mái Bán kính bảo vệ tại mặt phẳng mái trong trường hợp này có thể lên tới R ≈ 34 mét, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc phòng chống sét.
Do mái công trình có hình chữ nhật kích thước 60 m × 15 m, phương án bố trí được chọn là:
Bố trí 2 kim thu sét kiểu ESE, đặt đối xứng tại hai đầu mái, dọc theo trục 60 m
Mỗi kim tạo ra vùng bảo vệ hình chóp có bán kính đủ lớn để bao phủ toàn bộ chiều rộng mái nhà (15 mét), đảm bảo an toàn tối đa Các vùng bảo vệ này sẽ giao thoa nhau ở trung tâm, tạo thành một hệ thống bảo vệ liên tục và không có "vùng chết" nguy hiểm Việc này giúp đảm bảo an toàn tuyệt đối trong quá trình thi công và vận hành.
Việc bố trí như vậy là đủ để che phủ toàn bộ diện tích mái
900 m² theo đúng tiêu chuẩn bảo vệ cấp III.
Hình 2.2 Bố trí kim thu sét
Sơ đồ nguyên lý hệ thống chống sét
Để đảm bảo an toàn cho toàn bộ công trình và người sử dụng trong tòa nhà C1, hệ thống chống sét trực tiếp được thiết kế bao gồm các thành phần chính như: kim thu sét, dây dẫn sét, hệ thống tiếp địa, và thiết bị liên kết đẳng thế Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên việc thu sét tại vị trí cao nhất (kim thu sét), dẫn dòng sét xuống hệ thống tiếp địa an toàn qua dây dẫn chuyên dụng.
Cấu trúc hệ thống chống sét trực tiếp gồm:
Kim thu sét (ESE hoặc Franklin) nên được đặt tại các vị trí cao nhất trên mái nhà để tối ưu hóa khả năng bảo vệ Thiết bị này có khả năng bảo vệ toàn bộ mái nhà bằng cách tạo ra vùng bảo vệ hình chóp với bán kính R, giảm thiểu nguy cơ sét đánh trực tiếp Việc lắp đặt đúng vị trí giúp gia tăng hiệu quả chống sét, đảm bảo an toàn cho công trình và người dùng.
2.Dây dẫn sét (Down conductor):
Dẫn dòng điện từ kim xuống hệ thống tiếp địa cần sử dụng dây đồng trần hoặc dây đồng bện có tiết diện lớn hơn hoặc bằng 50 mm² Hướng dẫn đặt dây dẫn theo đường thẳng ngắn nhất, hạn chế uốn gấp để đảm bảo hiệu suất tiếp địa tối ưu và an toàn cho hệ thống điện.
3.Hệ thống tiếp địa (Grounding system):
Hệ thống tiếp địa bao gồm cọc tiếp địa và dây nối đất, đảm bảo điện trở ≤ 10 Ω để đảm bảo hiệu quả chống sét và an toàn điện Cọc tiếp địa cần được chôn sâu ít nhất 2,4 mét và kết nối với nhau bằng mối hàn hóa nhiệt hoặc kẹp nối đồng nhất nhằm đảm bảo độ bền và khả năng dẫn điện tốt nhất.
4.Hộp kiểm tra tiếp địa (Ground inspection box):
Giúp kiểm tra điện trở đất và thuận tiện trong bảo trì định kỳ.
Hình 2.3 Hệ thống cơ bản chống sét
Dây dẫn sét
Dây dẫn sét (hay còn gọi là dây thoát sét) là bộ phận quan trọng trong hệ thống chống sét trực tiếp, đóng vai trò trung gian dẫn dòng điện sét từ kim thu sét xuống hệ thống tiếp địa mục tiêu là truyền dòng điện này theo đường đi ngắn nhất, an toàn nhất và hiệu quả nhất, nhằm tiêu tán toàn bộ năng lượng sét vào lòng đất mà không gây ảnh hưởng đến cấu trúc công trình hay con người.
Theo tiêu chuẩn TCVN 9385:2012 và IEC 62305-3:2010, việc lựa chọn và lắp đặt dây dẫn sét phải tuân thủ những nguyên tắc kỹ thuật cụ thể nhằm đảm bảo tính dẫn điện liên tục, độ bền cơ học, cũng như khả năng chịu được dòng xung sét cực lớn (có thể lên đến
Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hệ thống điện, việc bố trí dây cáp cần phải hạn chế tối đa trở kháng nhằm giảm thiểu nguy cơ phát sinh hồ quang điện tại các điểm gấp khúc hoặc mối nối không chắc chắn Đồng thời, việc lựa chọn dây có khả năng chịu dòng lớn (từ 100 kA trở lên) là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và an toàn của hệ thống trong các tình huống quá tải hoặc lỗi xảy ra.
Dây đồng trần thường được sử dụng phổ biến với tiết diện tối thiểu từ 50 mm² trở lên nhờ vào tính dẫn điện cao, khả năng chống ăn mòn tốt và dễ thi công Trong một số trường hợp đặc biệt, có thể lựa chọn dây thép mạ kẽm hoặc dây đồng bọc PVC để đáp ứng yêu cầu về thẩm mỹ hoặc độ bền trong môi trường xâm thực khắc nghiệt.
Dây dẫn sét cần được bố trí dũng mạch, thẳng, hạn chế đổi hướng đột ngột để đảm bảo an toàn và hiệu quả dẫn điện Quá trình cố định dây phải chắc chắn bằng kẹp chuyên dụng, với khoảng cách tối đa giữa các kẹp không quá 1m nhằm tăng sự ổn định của hệ thống Tránh để dây tiếp xúc trực tiếp với các vật liệu kim loại khác để phòng ngừa hiện tượng điện hoá và phóng điện lan truyền gây nguy hiểm Ngoài ra, cần tránh đi dây dẫn sét gần hệ thống ống dẫn nước hoặc dây tín hiệu để hạn chế cảm ứng điện hoặc nhiễu tín hiệu gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện tử.
Thiết kế và thi công hệ thống dây dẫn sét đúng kỹ thuật không chỉ đảm bảo an toàn điện mà còn nâng cao tuổi thọ của hệ thống chống sét Việc làm này giúp giảm thiểu nguy cơ tai nạn trong quá trình vận hành thực tế, từ đó bảo vệ an toàn cho người và tài sản.
2.6.1 Vật liệu và tiết diện dây dẫn
- Chất liệu: Dây dẫn sét được sử dụng trong thiết kế là dây đồng trần (đồng đỏ tinh khiết), có khả năng dẫn điện tốt, độ bền cao và dễ thi công.
Tiết diện lựa chọn cho hệ thống dây dẫn bao gồm M70 (70 mm²) phù hợp cho các đoạn dây dài hơn 20 mét hoặc cần tăng khả năng chịu dòng sét lớn, giúp đảm bảo an toàn và độ bền cao Trong khi đó, M50 (50 mm²) thích hợp cho các đoạn dây ngắn dưới 20 mét, đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 9385 và IEC 62305, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Việc chọn tiết diện phù hợp phụ thuộc vào chiều dài đoạn dẫn, dòng sét cực đại giả định (Imax), và yêu cầu về độ bền cơ học trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt Chọn đúng tiết diện giúp đảm bảo an toàn hệ thống điện, chống chịu tốt với tác động của sét và môi trường Điều này đặc biệt quan trọng trong các khu vực có khí hậu khắc nghiệt hoặc rủi ro sét cao, nhằm duy trì độ bền và hiệu quả của hệ thống dẫn điện.
2.6.2 Quy tắc bố trí dây dẫn sét
Dây dẫn sét (Down Conductor) là bộ phận quan trọng trung gian trong hệ thống chống sét trực tiếp, có nhiệm vụ dẫn dòng điện sét từ kim thu xuống hệ thống tiếp địa một cách nhanh chóng và an toàn Nếu bố trí sai quy cách, dây dẫn có thể gây phát sinh tia lửa nhảy (side flash), quá áp cục bộ hoặc phá hủy cục bộ lớp tường công trình khi xảy ra dòng điện sét lớn.
Dây dẫn sét phải được nối trực tiếp từ chân kim thu sét để đảm bảo hiệu quả bảo vệ tối đa Nó cần chạy dọc theo mặt đứng của công trình, như tường ngoài, trụ cột hoặc khe kỹ thuật, nhằm duy trì liên kết chắc chắn Cuối cùng, dây dẫn sét cần kéo thẳng đến hệ thống tiếp địa tại tầng trệt, đảm bảo an toàn tuyệt đối chống sét đánh.
Hạn chế tối đa uốn cong, gấp khúc hoặc chuyển hướng đột ngột, nhằm giảm cảm kháng và hiện tượng sóng phản xạ điện áp.
Dây nên được cố định bằng kẹp chuyên dụng, cách nhau 0,5–1 mét, để tránh rung lắc do gió hoặc bị lỏng khi chịu dòng sét lớn.
Mỗi kim thu sét cần ít nhất một dây dẫn xuống đất, đảm bảo đường dẫn chính thống cho dòng điện sét truyền xuống tiếp địa.
Với công trình lớn hoặc có chiều cao > 20 m, nên bố trí tối thiểu 2 dây dẫn đối xứng để: o Chia tải dòng sét đều trên 2 đường dẫn → giảm dòng điện tức thời mỗi dây o Tăng tính ổn định cơ học, giảm nguy cơ hư hỏng tại điểm đấu nối o Tăng độ tin cậy trong trường hợp 1 dây bị đứt, rỉ sét hoặc kém tiếp xúc
Trong thiết kế tòa nhà C1, mỗi kim thu sét ESE được bố trí với hai dây dẫn đối xứng, kéo dọc theo hai trục đứng của mái về tầng trệt Hệ thống dây dẫn này sau đó sẽ được kết nối vào mạng tiếp địa dạng vòng quanh công trình để đảm bảo an toàn và tính hiệu quả của hệ thống chống sét.
Loại tiết diện dây dẫn:
Dây thường dùng loại dây đồng trần ≥ 50 mm² hoặc dây thép mạ đồng ≥ 70 mm² theo TCVN 9385:2012
Đảm bảo khả năng chịu được dòng điện sét cực đại lên tới 200 kA trong thời gian ngắn
Trong môi trường ẩm hoặc vùng ven biển, nên ưu tiên dây đồng để chống ăn mòn điện hóa
Việc bố trí dây dẫn sét đúng quy cách, đủ số lượng và theo tuyến dẫn ngắn nhất là yếu tố then chốt đảm bảo hiệu quả truyền dòng sét, an toàn công trình và đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật.
2.6.3 Yêu cầu kỹ thuật khi lắp đặt dây dẫn sét
Trong hệ thống chống sét, dây dẫn sét đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn dòng điện sét từ kim thu sét xuống hệ thống tiếp địa, đảm bảo an toàn và hiệu quả Việc lắp đặt dây dẫn không chỉ đơn thuần là kết nối các thiết bị, mà còn phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt để hạn chế tổn thất điện áp, ngăn chặn sinh hồ quang, giảm nguy cơ ăn mòn điện hóa và các hiện tượng cảm ứng nguy hiểm, góp phần bảo vệ hệ thống chống sét toàn diện.
Hệ thống tiếp địa
Hệ thống tiếp địa là bộ phận không thể thiếu trong toàn bộ hệ thống hống sét trực tiếp và gián tiếp, có chức năng phân tán dòng điện sét an toàn vào lòng đất, từ đó ngăn ngừa nguy cơ truyền dẫn dòng điện vào các thiết bị điện, kết cấu kim loại của công trình, hoặc trực tiếp đến con người – gây ra cháy nổ, hư hỏng hoặc thương tích nghiêm trọng.
Hệ thống tiếp địa theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9385:2012 và tiêu chuẩn quốc tế IEC 62305-3 phải có điện trở đất không vượt quá giới hạn cho phép (≤ 10 Ω đối với cấp bảo vệ III) Kết cấu của hệ thống cần đảm bảo tiếp xúc điện tốt với đất nền, có khả năng chịu đựng dòng xung sét lớn trong thời gian ngắn mà không bị phân hủy hoặc suy giảm chức năng dẫn điện.
Việc thiết kế và thi công hệ thống tiếp địa cần dựa trên điều kiện địa chất thực tế của khu vực xây dựng, bao gồm các yếu tố như loại đất (cát, sét, đất đá), độ ẩm, điện trở suất của đất và sự ổn định lâu dài Trong những khu vực có điện trở suất cao, các biện pháp giảm trở như sử dụng hóa chất giảm điện trở (GEL), tăng số lượng cọc tiếp địa, hoặc kết hợp dạng lưới và cọc để mở rộng vùng tản dòng thường được áp dụng nhằm đảm bảo hiệu quả tiếp địa tối ưu.
Ngoài tra, các mối nối trong hệ thống tiếp địa phải được thực hiện bằng mối hàn hoá nhiệt hoặc bulông chuyên dụng, đảm bảo tính liên kết cơ học và điện học lâu dài, chống lại sự ăn mòn do điều kiện môi trường.
2.7.1 Loại tiếp địa sử dụng
Hệ thống tiếp địa (grounding system) là thành phần không thể thiếu của hệ thống chống sét trực tiếp, nhằm phân tán dòng điện sét xuống đất một cách an toàn Vai trò của tiếp địa là hạn chế tối đa thiệt hại cho thiết bị, bảo vệ an toàn cho người dùng và giảm thiểu nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống điện trong công trình.
Theo TCVN 9385:2012, hệ thống tiếp địa có thể bao gồm tiếp đại tự nhiên hoặc tiếp địa nhân tạo, tùy theo điều kiện thực tế của công trình và đặc điểm địa chất tại khu vực xây dựng.
Tiếp địa tự nhiên là việc tận dụng các cấu trúc kim loại ngầm sẵn có trong công trình để làm hệ thống phân tán dòng điện sét:
Cốt thép trong móng, cột, dầm nếu được liên kết nối tiếp và chôn sâu ổn định trong đất
Hệ thống ống nước bằng kim loại, ống kỹ thuật ngầm chôn sâu
Các tấm chắn địa kỹ thuật bằng thép hoặc vỏ ống chống thấm có khả năng dẫn điện tốt và ưu tiên sử dụng trong các công trình có kết cấu ngầm bằng kim loại, như móng thép hoặc ống nước kim loại đã chôn sâu Việc lựa chọn vật liệu này giúp đảm bảo hiệu quả chống thấm và an toàn cho toàn bộ công trình.
Trong trường hợp hệ tiếp địa tự nhiên không đáp ứng đủ điều kiện, việc lắp đặt hệ thống tiếp địa nhân tạo bằng cọc và dây đồng là rất cần thiết để đảm bảo an toàn điện Hệ thống này phải được thiết kế theo các yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn TCVN 9385:2012, nhằm đảm bảo độ bền, độ dẫn điện và hiệu quả bảo vệ chống sốc điện Việc tuân thủ các quy định này giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống tiếp địa, bảo vệ người và thiết bị khỏi các nguy cơ về điện.
Cọc tiếp địa bằng thép mạ đồng hoặc đồng nguyên chất,chiều dài ≥ 2,4 m, chôn sâu xuống nền đất
Dây đồng trần hoặc dây thép mạ đồng, tiết diện ≥ 50 mm², chôn theo tuyến rãnh nối các cọc thành một mạng vòng kín (loop) xung quanh công trình
Các điểm nối hàn phải sử dụng hàn hóa nhiệt (exothermic welding) hoặc mối nối cơ khí chuyên dụng đảm bảo bền chắc và chống ăn mòn
Điện trở tiếp địa yêu cầu theo TCVN 9385:2012: R ≤ 10 Ω
Trong thiết kế hệ thống chống sét cho Tòa nhà C1, phương án lựa chọn loại tiếp địa sẽ tùy thuộc vào:
Khả năng tận dụng hệ thống cốt thép móng làm tiếp địa tự nhiên (sẽ khảo sát cụ thể tại hiện trường)
Nếu không đủ điều kiện, sẽ triển khai hệ tiếp địa nhân tạo dạng mạng vòng bằng cọc thép mạ đồng và dây đồng trần
2.7.2 Cấu tạo hệ thống tiếp địa nhân tạo
Hệ thống tiếp địa nhân tạo được sử dụng rộng rãi trong các công trình không có sẵn kết cấu tiếp địa tự nhiên hoặc khi điện trở suất nền đất cao gây ra hạn chế trong hiệu quả bảo vệ của hệ thống tiếp địa tự nhiên Mục đích chính của hệ thống này là tạo ra mạng lưới dẫn điện chôn ngầm trong lòng đất nhằm tiêu tán dòng điện sét hiệu quả, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị điện trong các công trình xây dựng.
Hệ thống tiếp địa nhân tạo là yếu tố quan trọng đảm bảo an toàn điện cho hệ thống chống sét tại Tòa nhà C1 Trong trường hợp không thể sử dụng tiếp địa tự nhiên, việc thiết kế mạng tiếp địa vòng bằng cọc và dây đồng là bắt buộc để đạt điện trở nối đất ≤ 10 Ω Hệ thống này giúp đảm bảo tiêu chuẩn cấp bảo vệ III và duy trì độ ổn định lâu dài của hệ thống chống sét, nâng cao an toàn cho toàn bộ tòa nhà.
Theo tiêu chuẩn TCVN 9385:2012 và khuyến nghị của IEC 62305-3, hệ thống tiếp địa nhân tạo phải đảm bảo điện trở nối đất không vượt quá 10 Ω đối với cấp bảo vệ III, đồng thời duy trì độ bền cơ học và hiệu quả trong suốt vòng đời công trình Các thành phần chính của hệ thống gồm cọc tiếp địa, dây liên kết, khoảng cách giữa các cọc và hộp kiểm tra tiếp địa, mỗi thành phần đều có yêu cầu kỹ thuật cụ thể để đảm bảo tính ổn định điện và độ bền lâu dài trong điều kiện môi trường thay đổi Chi tiết cấu tạo hệ thống tiếp địa nhân tạo được trình bày rõ ràng theo bảng hướng dẫn.
Bảng 2.3 Cấu tạo hệ thống tiếp địa nhân tạo
Thành phần Thông số kỹ thuật
Cọc tiếp địa Cọc đồng mạ kẽm D16, dài 2.4 m, đóng sâu vuông góc xuống đất
Số lượng cọc Tùy thuộc vào điện trở đất từng khu vực
(thường từ 2–6 cọc trở lên)
Khoảng cách giữa các cọc
≥ 3 mét (theo khuyến cáo IEC để tránh hiện tượng chồng vùng điện)
Dây liên kết Dây đồng trần M50, nối các cọc thành hệ thống vòng hoặc dãy
Hộp kiểm tra tiếp địa Đặt ở vị trí thuận tiện, dễ bảo trì, có nắp đậy chống nước
Tất cả các mối nối phải được liên kết chắc chắn, sử dụng kẹp nối chuyên dụng hoặc hàn hóa nhiệt (exothermic welding) để đảm bảo dẫn điện tốt, chống ăn mòn và có tuổi thọ cao.
Hệ thống tiếp địa nhân tạo trong hệ thống chống sét cần tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả truyền dòng điện sét, an toàn cho người và thiết bị, đồng thời duy trì độ ổn định lâu dài trong suốt vòng đời công trình Theo tiêu chuẩn TCVN 9385:2012 và IEC 62305-3, điện trở nối đất tổng thể phải đạt mức ≤ 10 Ω để đảm bảo hiệu quả chống sét cao nhất.
Giá trị điện trở nối đất là yếu tố then chốt quyết định khả năng tiêu tán dòng điện sét vào lòng đất.
Theo quy định của TCVN 9385:2012, đối với công trình được phân loại ở Cấp bảo vệ III, điện trở nối đất phải nhỏ hơn hoặc bằng 10 Ω
Trong điều kiện đất có điện trở suất cao, có thể sử dụng nhiều cọc nối đất, dây dẫn vòng, hoặc chất giảm điện trở chuyên dụng để đảm bảo đạt yêu cầu này.
Liên kết đẳng thế toàn bộ hệ thống:
Hệ thống tiếp địa cần được đẳng thế với toàn bộ dây dẫn sét, kim thu sét ESE, vỏ kim loại của thiết bị điện, hệ thống ống kỹ thuật, thang máng cáp kim loại và khung cửa nhôm để đảm bảo an toàn, chống sét hiệu quả và tránh rò rỉ điện.
Kiểm tra điện trở nối đất
Hệ thống nối đất đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hiệu quả và an toàn của hệ thống chống sét Sau khi lắp đặt, kiểm tra điện trở nối đất (R) là bước bắt buộc để xác định khả năng phân tán dòng sét nhanh chóng và an toàn Việc đánh giá điện trở nối đất còn giúp đảm bảo hệ thống phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, từ đó nâng cao độ an toàn cho công trình.
Theo Theo quy định tại TCVN 9385:2012 – Chống sét cho công trình xây dựng, mục Phụ lục D – Bảng D.1, giá trị điện trở nối đất (R) của hệ thống tiếp địa cần được thiết kế và thi công sao cho không vượt quá giới hạn cho phép Mỗi cấp độ bảo vệ chống sét tương ứng với một giá trị điện trở nối đất tối đa, nhằm đảm bảo hiệu quả tiêu tán dòng điện sét, cũng như an toàn cho người và thiết bị.
Bảng 2.4 quy định các tiêu chuẩn yêu cầu giá trị điện trở nối đất để đảm bảo an toàn hệ thống chống sét Đối với hệ thống chống sét cấp III, giá trị điện trở nối đất không vượt quá 10 ohm, đặc biệt trong các khu vực đất khô, có khả năng kháng điện lớn và khó thi công Việc duy trì điện trở nối đất trong phạm vi này là yếu tố then chốt nhằm đảm bảo hiệu quả chống sét và an toàn cho công trình.
R ≤ 20 Ω (kèm biện pháp bổ sung)
Cấp bảo vệ III được lựa chọn cho công trình Tòa nhà C1 – Trường Đại học CNTT&TT, theo mục 2.2.5 của báo cáo, do công trình thuộc nhóm công trình công cộng quy mô vừa, không chứa vật liệu cháy nổ, và có mật độ người sử dụng trung bình.
Do đó, giá trị điện trở nối đất yêu cầu không được vượt quá 10 Ω.
Ngưỡng đảm bảo dòng sét là mức dòng điện xung mạnh mẽ có thể tiêu tán nhanh chóng xuống đất mà không gây ra nguy hiểm hoặc lan truyền vào hệ thống điện và điện tử trong công trình Việc thiết lập ngưỡng này giúp giảm thiểu rủi ro bị ảnh hưởng bởi sét, bảo vệ an toàn cho hệ thống điện tử và các thiết bị trong công trình Đảm bảo dòng sét được tiêu tán hiệu quả là yếu tố quan trọng để duy trì hoạt động an toàn và liên tục của các hệ thống điện trong xây dựng.
2.8.2 Phương pháp đo điện trở nối đất
Việc đo điện trở nối đất là bước bắt buộc để đánh giá hiệu quả tiếp địa thực tế sau khi thi công Phương pháp đo ba cực (3-pole method) là phương pháp phổ biến và cho độ chính xác cao nhất, được khuyến nghị bởi tiêu chuẩn TCVN 9385:2012 và các hướng dẫn kỹ thuật quốc tế như IEEE Std 81 Để đảm bảo kết quả chính xác, việc sử dụng máy đo điện trở tiếp địa chuyên dụng theo phương pháp ba cực là cách hiệu quả nhất trong quá trình kiểm tra hệ thống tiếp địa.
Thiết bị hoạt động dựa trên phương pháp dòng điện xoay chiều tần số thấp với 3 điện cực chính nhằm đảm bảo an toàn và chính xác trong đo lường điện áp đất Cực E là điểm nối đất chính của hệ thống chống sét, góp phần giảm nguy cơ sét đánh và bảo vệ thiết bị Cực P (Potential) được cắm sâu vào đất để đo điện áp đất chính xác, giúp xác định mức độ tĩnh điện trong hệ thống Cực C (Current) cấp dòng đo cũng được cắm vào đất nhưng cách cực E và P tối thiểu từ 5 đến 15 mét, đảm bảo đo lường chính xác và tránh nhiễu loạn từ các điện cực khác.
Hình 2.5 Hình ảnh mô phỏng cách đo
Kết nối dây đo từ máy đến các cực E, P và C theo sơ đồ
Cắm cực P cách cực E từ 5–10 mét, và cực C cách cực E từ 15–
20 mét (tùy điều kiện mặt bằng)
Bật máy đo, máy sẽ cấp dòng điện xoay chiều từ cực C qua nền đất đến E
Đồng thời, máy sẽ đo điện áp giữa E và P
Nên thực hiện đo nhiều lần với các vị trí P khác nhau (cách E một khoảng 5 m, 10 m, 15 m ) để kiểm tra tính ổn định kết quả
Tránh đo khi đất quá khô hoặc sau mưa lớn để tránh sai số do độ ẩm
Cần đảm bảo khoảng cách giữa các cực theo khuyến nghị của thiết bị đo
Sử dụng thiết bị chính hãng, được hiệu chuẩn định kỳ (Fluke, Hioki, Kyoritsu…)
Phương pháp đo 3 cực là phương pháp tối ưu để kiểm tra chất lượng hệ thống tiếp địa, mang lại kết quả đáng tin cậy khi thực hiện đúng kỹ thuật Phương pháp này giúp đánh giá chính xác điện trở nối đất, đảm bảo không vượt quá mức yêu cầu cấp bảo vệ III – ≤ 10 Ω Việc sử dụng phương pháp đo 3 cực giúp xác định tình trạng tiếp địa và đảm bảo an toàn điện trong hệ thống điện của bạn.
2.8.3 Quy trình đo thực tế
Chuẩn bị thiết bị và vật tư:
- Máy đo điện trở đất
- Dây nối và 2 cọc phụ
- Vị trí đo bằng phẳng, không nhiễu điện trường
- Ngắt toàn bộ kết nối điện trong hệ thống tiếp địa (nếu có).
- Cắm hai cọc phụ (P và C) cách điểm tiếp địa chính (E) 5–15 mét theo đường thẳng.
- Kết nối dây đo theo sơ đồ hướng dẫn của máy.
- Khởi động thiết bị, đọc kết quả và ghi nhận.
- Nếu kết quả R > 10 Ω, tiến hành biện pháp xử lý.
Biện pháp cải thiện nếu R vượt chuẩn:
- Bổ sung thêm cọc tiếp địa.
- Tăng chiều dài dây đồng nối đất.
- Sử dụng chất phụ trợ giảm điện trở như GEM, bentonite.
2.8.4 Kết quả đo tại công trình
Sau khi hoàn tất công tác lắp đặt, đội ngũ kỹ thuật đã thực hiện đo kiểm điện trở nối đất theo đúng quy trình kỹ thuật quy định trong TCVN 9385:2012 để đảm bảo an toàn hệ thống Quá trình đo kiểm điện trở nối đất tại hiện trường giúp xác định độ hiệu quả của hệ thống chống sét và đảm bảo an toàn cho công trình Việc tuân thủ quy trình kỹ thuật theo TCVN 9385:2012 là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của hệ thống tiếp đất.
Việc đo lường được thực hiện vào ngày 01/05/2025 bằng thiết bị chuyên dụng và phương pháp ba cực (3-pole method) nhằm đảm bảo kết quả chính xác cao Khoảng cách giữa các cọc đo được bố trí đúng theo khuyến cáo kỹ thuật để hạn chế sai số và nâng cao độ tin cậy của phép đo.
Kết quả đo điện trở đất đạt 4.3 Ω, nằm trong giới hạn cho phép cho cấp bảo vệ III (R ≤ 10 Ω), chứng tỏ hệ thống tiếp địa đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật Điều này đảm bảo hệ thống đủ điều kiện để nghiệm thu và đưa vào vận hành, tăng cường an toàn cho hệ thống điện.
Chi tiết kết quả đo đươc trình bày trong bảng sau:
Bảng 2.5 kết quả đo công trình
Tên công trình Tòa nhà C1 – Trường Đại học CNTT&TT
Thiết bị đo sử dụng Máy đo điện trở đất Hioki 3151
Phương pháp đo Ba cực (3-pole method)
Kết quả đo điện trở nối đất
Tiêu chuẩn áp dụng TCVN 9385:2012 – Cấp bảo vệ III (R ≤ 10 Ω)
Kết luận Đạt yêu cầu kỹ thuật – Hệ thống tiếp địa đủ tiêu chuẩn
Chương 2 đã trình bày chi tiết phương pháp thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho công trình tòa nhà C1, bao gồm lựa chọn kim thu sét, tính toán vùng bảo vệ, bố trí dây dẫn sét và hệ thống tiếp địa Các thông số được tính toán theo đúng tiêu chuẩn TCVN và sẽ là cơ sở để triển khai lắp đặt thực tế tại công trình.
