Chương 7: Nối đất và chống sét doc

CH ƯƠ NG 7

N I Ố ĐẤ T VÀ CH NG SÉT Ố

A – PH N LÝ THUY T: Ầ Ế

I GI I THI U V SÉT VÀ THI T B CH NG SÉT: Ớ Ệ Ề Ế Ị Ố

1 KHÁI NI M V SÉT Ệ Ề :

- Sét là hi n t ng phóng đi n trong khí quy n gi a các đám mây và đ t ệ ượ ệ ể ữ ấ hay gi a các đm1 mây mang đi n trái d u, tr c khi có s phóng đi n c a sét, đã ữ ệ ấ ướ ự ệ ủ

có s phân chia và tích l y đi n tích r t cao trong các đám mây giông, do tác đ ng ự ũ ệ ấ ộ

c a lu ng khí nóng b c h i n c ng ng t trong các đám mây, ph n d i c aủ ồ ố ơ ướ ư ụ ầ ướ ủ các đám mây giông th ng tích đi n âm ( 85 % ) gi a các đám mây và đ t hình thành ườ ệ ữ ấ các t đi n kh ng l , c ng đ đi n tr ng c a t đi n gi a mây và đ t khôngụ ệ ổ ồ ườ ộ ệ ườ ủ ụ ệ ữ ấ

ng ng t ng lên và n u c ng đ đi n tr ng đ t t i giá tr t i h n ( 25-30 kv /ư ă ế ườ ộ ệ ườ ạ ớ ị ớ ạ

cm ) thì b t đ u có s phóng đi n hay g i là sét.ắ ầ ự ệ ọ

-Sét đánh tr c ti p vào đ ng dây t i đi n gây ra nhi u tác h i nghiêm ự ế ườ ả ệ ề ạ

tr ng nh : làm gián đo n vi c cung c p đi n c a h th ng, làm ng n m ch ọ ư ạ ệ ấ ệ ủ ệ ố ắ ạ

ch m đ t các pha các thi t b đi n do hi n t ng quá đi n áp d n đ n h ạ ấ ở ế ị ệ ệ ượ ệ ẩ ế ư

h ng cách đi n c a các thi t b , khi sét đánh vào các công trình đi n, tòa nhà cao ỏ ệ ủ ế ị ệ

t ng, dòng đi n sét sinh ra s gây tác h i nhi t c , đi n t gây h h i tài s n, ầ ệ ẽ ạ ệ ơ ệ ừ ư ạ ả

v t d ng, thi t b và gây nguy hi m đ n tính m ng con ng i, do đó b o v ậ ụ ế ị ể ế ạ ườ ả ệ

ch ng sét là c n thi t cho các công trình.ố ầ ế

2- C U T O C A M T C T THU SÉT Ấ Ạ Ủ Ộ Ộ :

•B ph n thu sét ( kim thu sét ) : kim thu sét làm b ng ng thép ho c thanh ( ti t ộ ậ ằ ố ặ ế

di n ph i l n h n 100 mmệ ả ớ ơ 2 )

•B ph n d n dòng đi n sét : có k t c u c t thép, bêtông c t thép hay dây thép ( ti t ộ ậ ẫ ệ ế ấ ộ ố ế

di n ph i l n h n 50 mmệ ả ớ ơ 2 )

•B ph n n i đ t : đ c t o b i m t h th ng c c và thanh b ng đ ng ho c b ngộ ậ ố ấ ượ ạ ở ộ ệ ố ọ ằ ồ ặ ằ thép n i li n nhau, chôn trong đ t, có đi n tr t n bé đ dòng đi n có th t n m t cách ố ề ấ ệ ở ả ể ệ ể ả ộ

d dàng trong đ t.ể ấ

3- B O Ả V CH NG SÉT TR C TI P CHO H TH NG I N Ệ Ố Ự Ế Ệ Ố Đ Ệ :

Khi l a ch n ph ng pháp b o v ch ng sét đánh tr c ti p vào các công trình, c n ự ọ ươ ả ệ ố ự ế ầ

ph i l a ch n ph ng pháp b o v thích h p v i đ c tính c u trúc, m c đích s ả ự ọ ươ ả ệ ợ ớ ặ ấ ụ ử

d ng, yêu c u công ngh c a công trình đó.ụ ầ ệ ủ

Có các ki u thu sét nh sau: c t thu sét đ t đ c l p.ể ư ộ ặ ộ ậ

Dây thu sét ( dây c ng d ng ng ten )ă ạ ă

L i thu sét ( còn g i là dòng thu sét )ướ ọ

B ph n thu sét h n h p g m : c t thu sét và dây thu sét k t h p v i nhau.ộ ậ ỗ ợ ồ ộ ế ợ ớ

II- PH M Ạ VI NGUYÊN LÝ LÀM VI C C A THI T B CH NG SÉT Ệ Ủ Ế Ị Ố :

1 PH M VI B O V C A CÁC THI T B Ạ Ả Ệ Ủ Ế Ị -:

- M i c t thu stes t o nên xung quanh nó m t ph m vi b o v nh t đ nh ỗ ộ ạ ộ ạ ả ệ ấ ị trong không gian theo chi u cao c t.ề ộ

- Ph m vi c a c t thu sét trong không gian còn g i là vùng b o v , lý thuy t ạ ủ ộ ọ ả ệ ế

v xác su t b o v là 1 %.ề ấ ả ệ

- Ph thu c vào ki u, s l ng và cách b thít ng h gi a các c t thu sét, ụ ộ ể ố ượ ố ươ ổ ữ ộ

ph m vi b o v có th có hình dáng hình h c khác nhau, ph n l n các vùng b o v ạ ả ệ ể ọ ầ ớ ả ệ

đ c sát đ nh b ng t s H /h.ượ ị ằ ỉ ố

Trong đó:

- H : là chi u cao c l ng t n i b t đ u phát sinh hi n t ng phóng đi n ề ướ ượ ừ ơ ắ ầ ệ ượ ệ

c a đám mây giông đ n c t thu sét.ủ ế ộ

- h: là chi u cao c a c t thu sét.ề ủ ộ

 Ph m vi b o v c a c t thu sét ạ ả ệ ủ ộ :

0.75h 1.5h hx h

Rx

Là hình chóp tròn xoay có đ ng sinh là m t hypebol và có đáy là m t hình tròn, bán kính ườ ộ ộ

b o v c a m t c t thu sét ng v i đ cao hả ệ ủ ộ ộ ứ ớ ộ x là:

x

x x

h h

h h p h r

+

−

=1,6* * * Trong đó:

h : đ cao c a c t thu sét.ộ ủ ộ

hx : đ cao c a công trình.ộ ủ

rx : bán kính b o v c a c t thu sét.ả ệ ủ ộ Khi h ≤ 30 m thì p= 1

Khi 30m < h ≤ 60m thì

h

Trong thi t k đ n gi n, ng i ta thay đ ng sinh hypebol b ng hai đo n th ng, ế ế ơ ả ườ ườ ằ ạ ẳ khi đó bán kính b o v c a c t thu sét ng đ cao hả ệ ủ ộ ứ ộ x d9 c sác đ nh nh sau:ượ ị ư











 −

=

h

h h

x

* 8 , 0 1

*

* 5 ,

3

2

≤











 −

=

h

h h

x 0,75* * 1 n u ế h x *h

3

2

〉

Khi đ cao h > 60m thì sét không ch đánh vào đ nh kim thu sét mà còn đánh vào m t ph n ộ ỉ ỉ ộ ầ

đ nh kim thu sét, vì v y khi tính toán thi t k ta ph i hi u ch nh l i đ cao này ( m t ỉ ậ ế ế ả ệ ỉ ạ ộ ộ

ph n c a c t thu sét b sét đánh vào là ầ ủ ộ ị ΔU

N u 60m < h 100m thì ế ≤ ΔU = 0,5 * ( h – 60 )

N u 100m < h 250m thì ế ≤ ΔU = 0,2h

 Ph m vi b o v c a hai c t thu sét có ạ ả ệ ủ ộ độ cao b ng nhau ằ :

N u hai c t đ t cách nhau m t đo n là a = 7h thì m i đi m trên m t đ t gi a ế ộ ặ ộ ạ ọ ễ ặ ấ ữ hai c t thu sét s đ c b o v ộ ẽ ượ ả ệ

N u a < 7h thì hai c t thu sét có th b o v đ c công trình có đ cao hế ộ ể ả ệ ượ ộ o đ t gi a ặ ữ hai c t thu sét.ộ

V i ớ h o h a p

7

−

=

Cách v ph m vi b o v c a hai c t thu sét có đ cao b ng nhau.ẽ ạ ả ệ ủ ộ ộ ằ

Ph n ngoài hai c t thu sét v gi ng nh m t c t thu sét.ầ ộ ẽ ố ư ộ ộ

Ph n trong hai c t thu sét là m t cung tròn đi qua hai đ nh c a hai hai c t thu sét và ầ ộ ộ ỉ ủ ộ

đi m gi a có đ cao hễ ữ ộ o

Khi tính toán thi t k ch ng sét, đ nâng cao đ an toàn ta nên ch n đ cao c a c t thu ế ế ố ể ộ ọ ộ ủ ộ sét sao cho rox ≤ 0,5m

r ox r x

h

h o

1.5hp

a/7p

 Ph m vi b o v c a ba c t thu sét có cùng ạ ả ệ ủ ộ độ cao h n m trên ba ằ

nh c a m t tam giác

Bên ngoài tam giác, ta xác đ nh ph m vi b o v cho t ng đôi m t gi ng nh ph n hai ị ạ ả ệ ừ ộ ố ư ầ

c t thu sét có cùng đ cao h, ph n bên trong tam giác s đ c b o v n u nó thõa m n ộ ộ ầ ẽ ượ ả ệ ế ả

đi u ki n sau:ề ệ

D ≤ 8 * p* ( h – hx ) = 8 * p * ha

Trong đó:

D : là đ ng kính đ ng tròn đi qua ba đ nh c a ba c t thu sét.ườ ườ ỉ ủ ộ

ha : đ cao hi u d ng c a c t thu sét.ộ ệ ụ ủ ộ

Ph m vi b o v c a b n c t thu sét n m trên b n đ nh c a hình ch nh t, cách xác ạ ả ệ ủ ố ộ ằ ố ỉ ủ ữ ậ

đ nh hoàn toàn gi ng nh ba c t thu sét.ị ố ư ộ

Trong đó:

D : là đ ng chéo c a hình ch nh t ( hay đ ng kính c a đ ng tròn đi qua ườ ủ ữ ậ ườ ủ ườ

b n đ nh c a b n c t thu sét ).ố ỉ ủ ố ộ

a1

a2 D

rox1

rox2

Ph m vi b o v c a c t thu sét b trí b t k :ạ ả ệ ủ ộ ố ấ ỳ

Trong tr ng h p này ta chia ra làm nhi u vùng, m i vùng là m t tam giác ho c là m t ườ ợ ề ỗ ộ ặ ộ hình ch nh t, sau đó ta xác đ nh ph m vi b o v c a t ng vùng.ữ ậ ị ạ ả ệ ủ ừ

Khi tính toán thi t k ch ng sét, đ nâng cao đ an toàn ta nên ch n đ cao c a c t thu ế ế ố ể ộ ọ ộ ủ ộ sét sao cho rox ≤ 0,5m

3- NGUYÊN T C B O V C A THI T B CH NG SÉT Ắ Ả Ệ Ủ Ế Ị Ố :

Ph ng pháp b o v c đi n b ng kim thu sét là ph ng pháp b o v th ươ ả ệ ổ ể ằ ươ ả ệ ụ

đ ng, t c là ta tính toán và đ t kim thu sét đ phòng ng a, khi có sét đánh thì không b o ộ ứ ặ ể ừ ả

đ m 100 % sét đánh vào kim thu sét mà không đánh vào v trí c n b o v ả ị ầ ả ệ

Ngày nay hi n t ng sét đ c nghiêm c u m t cách sâu r ng và đ y đ , ng i taệ ượ ượ ứ ộ ộ ầ ủ ườ

dã nghiêm c u và ch t o thành công các thi t b thu sét tích c c, v i thi t b thu sét này ứ ế ạ ế ị ự ớ ế ị thì kh n ng đ m b o thu sét g n nh 100 %.ả ă ả ả ầ ư

III- N I Ố ĐẤ : T

N i đ t có ba ch c n ng : n i đ t làm vi c, n i đ t ch ng sét, n i đ t an toàn.ố ấ ứ ă ố ấ ệ ố ấ ố ố ấ

Trang b n i đ t bao g m các đi n c c và dây d n n i đ t, dây d n n i đ t dùng đ n i ị ố ấ ồ ệ ự ẫ ố ấ ẫ ố ấ ể ố

li n các b ph n đ c n i đ t v i các đi n c c.ề ộ ậ ượ ố ấ ớ ệ ự

Trong n i đ t b o v thì đi n áp trên v thi t b so v i đ t.ố ấ ả ệ ệ ỏ ế ị ớ ấ

Ud = Id Rd Trong đó:

Id : dòng đi n ng n m ch c a pha ch m đ t.ệ ắ ạ ủ ạ ấ

Rd : đi n tr n i đ t.ệ ở ố ấ

Khi ng i ch m ph i v thi t b có đi n áp dòng đi n ch y qua ng i xác đ nh.ườ ạ ả ỏ ế ị ệ ệ ạ ườ ị

d d

ng R

R I

I

=

,

Vì đi n tr c a ng i Rệ ở ủ ườ ng đ c coi nh m c song song v i đi n tr n i đ t, dòng ượ ư ắ ớ ệ ở ố ấ

đi n ch y trong đ t.ệ ạ ấ

Id = Id+ Ing

N u th c hi n n i đ t sao cho Rế ự ệ ố ấ d, Rng, thì Ing, Id có th coi.ể

d

d ng

d

R

R

Nh v y khi th c hi n n i đ t t t, đi n tir n i đ t đ nh có th đ m b o dòng ư ậ ự ệ ố ấ ố ệ ở ố ấ ủ ỏ ể ả ả

đi n ch y qua ng i nh không gây nguy hi m đ n tính m ng.ệ ạ ườ ỏ ể ế ạ

Khi có trang b n i đ t dòng đi n ng n m ch theo dây d n n i đ t xu ng các đi n ị ố ấ ệ ắ ạ ẫ ố ấ ố ệ

c c và ch y t n vào trong đ t.ự ạ ả ấ

M t đ t t i ch đ t đi n c c có đi n th l n nh t, càng xa đi n c c đi n th gi m ặ ấ ạ ổ ặ ệ ự ệ ế ớ ấ ệ ự ệ ế ả

d n và b ng không n i cách xa đi n c c t 15m đ n 20m.ầ ằ ở ơ ệ ự ừ ế

N u b quađi n tr nh c a dây n i đ t thì đi n tr n i đ t đ c xác đ nh.ế ỏ ệ ở ỏ ủ ố ấ ệ ở ố ấ ượ ị

d

d d I

U

Trong đó:

U : đi n áp c a trang b n i đ t đ i v i đ t.ệ ủ ị ố ấ ố ớ ấ

i n áp ti p ti p xúc đ c xác đ nh:

ϕ

ϕ −

tx U

Trong đó:

φd : đi n th l n nh t t i đi m đ t đi n c c n i đ t.ệ ế ớ ấ ạ ễ ặ ệ ự ố ấ : đi n th trên m t đ t

i n áp b c đ c xác đ nh:

Ub = φ1 – φ2

i n áp ti p xúc và đi n áp b c ph i n m trong gi i h n cho phép

thõa m n đi u này ng i ta ti n hành b trí l i n i đ t đ t o s cân b ng và t n

nhanh dòng đi n vào đ t.ệ ấ

B: PH N ÁP D NG TÍNH TOÁN N I Ầ Ụ Ố ĐẤ T CH NG SÉT CHO DÃY NHÀ E: Ố

I Tính chống sét cho nhà E và trạm biến áp

1 Tính chống sét cho nhà E

- Nhà E có

-chiều dài la 40.4m

-chiều rộng là 9,5m

-hx = 13m

- ha = 8m

h = hx + ha = 13 + 8 = 21m ,

do chiều cao nhà E < 30m nên ta chọn p = 1(sách cung cấp điên phạm văn thành trang 104)

r x = ha *1.6 / 1 + hx/h = 8 *1.6 / 1+13/21 = 7.9m

Độ rộng nhỏ nhất của phạm vi bảo vệ

2bx = 4r x * ha - a / 14 ha - a = 4 * 7.9 * 7 *8 - 10 / 14*8 - 10 = 17.25m Suy ra bx = 8.625m

Độ cao lớn nhất được bảo vệ

H0 = h – a/7p = 21 – 10/7*1 = 19.57m

- Với r x = 7.9m , và bề rộng của phân xưởng là 9,5m và chiều dài là 40.4m

ta chỉ cần chọn 5 cột thu sét là đủ các cột bố trí theo chiều dài của phân xưởng

2 Tính chống sét cho trạm biến áp

Tram biến áp nhà có chiều cao là hx = 5m,rộng 5m, dài 5m,chon ha = 5m

H = hx + ha = 5 + 5 = 10m, do chiều cao nhà E < 30m nên ta chọn p = 1(sách cung cấp điên phạm văn thành trang 104)

r x = ha *1.6 / 1 + hx/h = 5 *1.6 / 1+5/10 = 5.333mm

Độ rộng nhỏ nhất của phạm vi bảo vệ

2bx = 4r x *7 ha - a / 14 ha - a = 4 * 5.333 * 7 *5 - 9 / 14*5-9 = 12.092m Suy ra bx = 6.046m

Độ cao lớn nhất được bảo vệ

H0 = h – a/7p = 10 – 9/7*1 = 8.714m

Với r x = 5.333m , và bề rộng của trạm biến áp là 5m và chiều dài là 5m ta chỉ cần chọn 1 cột thu sét là đủ các cột bố trí theo chiều dài của trạm biến áp

II Tính nối đất cho nhà E và trạm biến áp

1 Tính nối đất cho nhà E

Chọn loại đất sét có ρ0 = 1*10^4Ωcm

chọn 20 cọc chiều dài mỗi cọcl= 2.5m= 250cm

dcọc = 1.6cm,kmax = 1.2,

khoảng cach từ cọc này đến cọc kia là 5m ,

chọn thanh thép tròn chôn sâu 0.7m góc 60x60x25,đường kính thép tròn d=1.5cm,

T = 0.7 + 2.5/2 = 1.95m = 195cm

 Điện trở khuếch tán của một cọc

R1c = 0.366* ρ0 * kmax*( lg*2*l/d + 1/2lg(4*t +l /4*t – l ))

= 0.366*1*10^4*1.2*(lg2*250/1.6 + 1/2lg(4*195 + 250/4*195 – 250))

= 46.364Ω

Chọn hệ thống cọc nhà E là 20 coc 5t hanh2 dãy khoảng cách giữa các cọc là 5m,

ŋc = 0.68, ŋt = 0.56

 Điện trở khuếch tán của 20 cọc

Rc= R1c / n*ŋc = 46.364/20*0.68 = 3.409Ω

 Điện trở khuếch tán của thanh ngang

R΄ng = 0.366* ρ0 * kmax*ln(l² /dt) = 0.366*1*10^4*1.2*ln(250²/0.8*195) = 16.7568Ω

Rng = R΄ng / ŋt = 16.7568 / 0.56 = 29.922Ω

 Điện trở nối đất của hệ thống

Rnd = Rc * Rng / Rc + Rng = 3.409*29.922 /3.409+ 29.922 = 3.0603Ω

2 Tính nối đất trạm biến áp

Chọn loại đất sét có ρ0 = 1*10^4Ωcm, chọn 4 cọc chiều dài mỗi cọcl= 2.5m= 250cm,dcọc = 1.6cm,kmax = 1.2,khoảng cach từ cọc này đến cọc kia là 5m , chọn thanh thép tròn chôn sâu 0.7m góc 60x60x25,đường kính thép tròn d=1.5cm,

T = 0.7 + 2.5/2 = 1.95m = 195cm

 Điện trở khuếch tán của một cọc

R1c = 0.366* ρ0 * kmax*( lg*2*l/d + 1/2lg(4*t +l /4*t – l ))

= 0.366*1*10^4*1.2*(lg2*250/1.6 + 1/2lg(4*195 + 250/4*195 – 250))

= 46.364Ω

Chọn hệ thống cọc nhà E là 4 coc5thanh2 dãy khoảng cách giữa các cọc là 5m,

ŋc = 0.83, ŋt = 0.87

 Điện trở khuếch tán của 4 cọc

Rc= R1c / n*ŋc = 46.364/4*0.83 = 13.965Ω

 Điện trở khuếch tán của thanh ngang

R΄ng = 0.366* ρ0 * kmax*ln(l² /dt) = 0.366*1*10^4*1.2*ln(250²/0.8*195) =

16.7568Ω

Rng = R΄ng / ŋt = 16.7568 / 0.87 = 19.26Ω

 Điện trở nói đất của hệ thống

Rnd = Rc * Rng / Rc + Rng = 13.965*19.26 /13.965+ 19.26 = 8.0952Ω