Các nhà sản xuất chống sét loại ESE thường tuyên bố phạm vị bảo vệ của loại này lớn hơn rất nhiều so với chống sét truyền thống. Điều đó dẫn tới việc thay vì sử dụng nhiều đầu thu sét đặt ở nhiều vị trí khác nhau để bảo vệ cho toàn bộ công trình, hệ thống chống sét phi truyền thống chỉ dùng 01 đầu thu duy nhất để bảo vệ cho cả một khu vực rộng lớn. Như vậy, gần như toàn bộ công trình hầu như không được bảo vệ. Điều này thực sự rất nguy hiểm khi nó được lắp đặt trong một địa điểm có yêu cầu bảo vệ cao như tòa nhà chung cư cao tầng có nhiều người sinh sống.
Trang 1Hệ thống chống sét phi truyền thống: Những sự thật chưa
nói hết
Phạm Hồng Thịnh
Bộ môn Hệ thống điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội
Số 1- Đại Cồ Việt, Hà Nội Email: thinh.phamhong@hust.edu.vn
Kể từ khi Franklin đề xuất cột thu lôi để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công trình từ hơn 250 năm về trước, hiệu quả của nó đã được chứng minh rõ ràng Hầu như tuyệt đại đa số các công trình trên thế giới đều sử dụng cột thu lôi kiểu Franklin Cột thu lôi kiểu Franklin bao gồm một đầu thu bằng kim loại, dây nối đất và hệ thống nối đất còn được gọi là hệ thống chống sét truyền thống (conventional lightning protection systems) Nguyên tắc hoạt động của hệ thống chống sét truyền thống rất đơn giản: đầu thu tạo thành nơi có điện trường cao để thu sét, dây nối đất để dẫn dòng sét từ đầu thu để tản vào hệ thống nối đất Hệ thống thu sét truyền thống là cơ sở cho rất nhiều tiêu chuẩn chống sét trên thế giới cho các công trình như NFPA 780: 2004 (Hiệp hội phòng cháy quốc gia của Mỹ), IEC 62305: 2006 (Ủy ban quốc tế về kỹ thuật điện), TCVN 46: 2007 …Phạm vi bảo vệ của nó được tính toán bằng phương pháp hình học hoặc phương pháp điện hình học
Từ những năm 1970s, một số nhà sản xuất đã đưa ra thị trường một loại hệ thống chống sét kiểu mới thường được giới chuyên môn gọi là hệ thống chống sét phi truyền thống (unconventional lightning protection system) với nguyên tắc chống sét khác hẳn thông thường Theo quảng cáo của những nhà sản xuất này, hệ thống chống sét kiểu mới này có ưu điểm vượt trội so với loại truyền thống như có khả năng “tự làm tiêu tán đám mây sét”, “phát tia tiên đạo sớm” để “tăng phạm vi bảo vệ” v v Tại Việt Nam, loại chống sét kiểu này cũng được chào bán rộng rãi với những quảng cáo rất ấn tượng về tính năng với giá thường đắt hơn loại thu sét thông thường từ 5 đến 10 lần Loại chống sét này đã được lắp đặt tại nhiều địa điểm trên cả nước, có cả những công trình tương đối quan trọng
Hệ thống chống sét phi truyền thống được chia làm hai loại dựa theo “nguyên tắc” hoạt động của chúng Loại thứ nhất hoạt động dựa trên “nguyên tắc” loại trừ sét (lightning elimination, hay được gọi tắt là LE) còn có tên khác hệ thống chuyển điện tích (charge transfer system-CTS) hoặc
là hệ thống tiêu tán sét (dissipation array system-DAS), có vẻ như loại này được một số nhà cung cấp ở Việt Nam gọi là chống sét đa tia (?) vì hình dạng của nó Loại thứ hai dựa trên “nguyên tắc” phát streamer sớm (early streamer emission-ESE) và thường được gọi là chống sét phát xạ sớm Tuy nhiên kể từ khi ra đời đến nay,các hệ thống phi truyền thống này bị rất nhiều nhà khoa bác bỏ, nhiều tổ chức kỹ thuật và một số nước đã cấm sử dụng loại chống sét kiểu này Trong bài này chúng tôi sẽ giới thiệu một số lý do tại sao các hệ thống chống sét phi truyền thống lại bị tẩy chay như vậy
Trang 21 Hệ thống chống sét phi truyền thống dựa trên những lý thuyết sai lầm
a Hệ thống loại trừ sét (LE)
Hệ thống LE bao gồm ba phần, phần thứ nhất là một hệ tản hay khu tạo ion (ionizer) có nhiều biến thể như hình cái ô (hình 1a), hình cầu gai (hình 1b), hình trụ (1c), hình bánh còng (1d) v v Thậm chí nó còn có dạng dây gai thay cho dây chống sét để bảo vệ chống sét cho đường dây tải điện (hình 1e) Đặc điểm chung của hệ tản ion này là tạo ra hàng trăm đỉnh nhọn với mục đích gây ra phóng điện vầng quang (corona) Phần thứ hai là dây nối đất giống như của hệ thống chống sét truyền thống Phần thứ ba thường gọi là bộ thu dòng điện trong đất (ground current collector) thực chất là hệ thống nối đất như trong chống sét truyền thống Theo “lý thuyết” của những người đề xuất hệ thống loại trừ sét, phóng điện vầng quang xung quanh các đỉnh nhọn sẽ tạo ra các ion dương xung quanh hệ tản Các ion dương này tạo thành một khu vực điện tích không gian dương và chính khu vực điện tích không gian dương này sẽ trung hòa điện tích âm trong đám mây hoặc tạo thành một một lớp điện tích bảo vệ hình thành giữa đám mây và công trình ngăn không cho sét đánh vào công trình Hai nhà khoa học nổi tiếng thế giới về nghiên cứu sét là GS Uman và GS Rakov của đại học Florida đã chỉ ra rằng [1] trong khoảng 10 giây kể từ khi đám mây sét có nguy cơ đánh xuống một công trình bất kỳ, khu vực điện tích không gian trên đầu hệ thống tản ion sẽ chỉ có thể di chuyển lên trên cao được khoảng 150m, và nó có thể bị gió đẩy đi xa khỏi hệ thống tản ion tới 50m Chú ý rằng đám mây tích điện để hình thành sét thường ở độ cao vài km (thường khoảng 5km) so với mặt đất nên khu vực điện tích không gian cho dù có di chuyển được đến 150m lên cao thì nó cũng chưa chạm đến bất kỳ điểm nào của đám mây ở độ cao vài km, ngoài ra nó còn bị gió đẩy bật ra xa khỏi vị trí ban đầu nên nó chẳng thể nào đứng yên trên đỉnh công trình để che chắn cho ai cả Giả thiết vô căn cứ về khả năng trung hòa điện tích của hệ thống LE cũng bị GS Cooray của Đại học Upsala, Thụy Điển bác bỏ bằng thực nghiệm [2] Để trung hòa 5 C của một đám mây tích điện thông thường thì dòng vầng quang
do hệ thống LE phát ra bởi ít nhất 5000 điểm nhọn theo tính toán của GS Cooray, mặc dù một hệ thống LE thông thường chỉ có nhiều nhất là có 4000 đỉnh nhọn Một sai lầm căn bản khác của những người ủng hộ LE là họ cho rằng vầng quang phát ra của cả hệ thống tản ion là tổng đại số của dòng phát ra bởi từng đỉnh nhọn thành phần Trên thực tế dòng ion không bao giở tỉ lệ tuyến tính với số đỉnh nhọn do ảnh hưởng của các đỉnh nhọn lân cận
Hình 1a, 1b, 1c và 1d Một số loại chống sét phi truyền thống kiểu loại trừ sét (LE)
b Hệ thống phát xạ sớm (ESE)
Trang 3Hệ thống phát xạ sớm không có gì khác so với hệ thống chống sét truyền thống, ngoại trừ ở đầu thu sét Tức là nó cũng bao gồm một đầu thu, một dây nối từ đầu thu xuống hệ thống nối đất, và
hệ thống nối đất Ở hệ thống ESE, đầu thu sét gồm một số điện cực được bố trí sao cho nó có thể
tự “phát” ra dòng streamer sớm hơn so với đầu thu sét truyền thống một khoảng thời gian ∆t Khoảng thời gian này được những người đề xuất ra ESE đo đạc trong phòng thí nghiệm và đưa
ra giá trị ∆t dao động từ 50 µs cho đến 300 µs Để chứng minh “hiệu quả” của ESE, những người ủng hộ nó lấy khoảng thời gian sớm hơn này (ví dụ lấy ∆t =75µs) nhân với vận tốc chuyển động của tia tiên đạo là v=106 m/s (cũng được những người đề xuất ESE đo trong phòng thí nghiệm),
và họ cho rằng chiều cao của hệ thống ESE sẽ được tăng thêm một khoảng là 75 µs
×106m/s=75m so với cột thu lôi truyền thống Thực tế giả thiết về khoảng thời gian sớm ∆t và vận tốc chuyển động v của tia tiên đạo đã được GS Rison của đại học kỹ thuật bang New
Mexico, Mỹ chỉ ra là vô căn cứ [3] Các đo đạc độc lập đã chỉ ra rằng các đầu thu ESE hầu như không phát ra streamer sớm hơn so với đầu thu sét truyền thống như quảng cáo [4,5] Đồng thời, vận tốc của tia tiên đạo trên thực tế chỉ bằng 1/10 so với vận tốc 106 m/s, tức là chỉ cỡ 105 m/s Hai yếu tố này dẫn tới việc chiều cao được tăng thêm (nếu có) của hệ thống ESE chỉ là một vài mét, chiều cao này là vô nghĩa đối với các ứng dụng chống sét vì bản thân các hệ thống chống sét truyền thống cho một công trình đã có độ cao lớn hơn trị số cần thiết vài mét
Hình 2 Một số loại đầu thu sét hoạt động dựa trên “nguyên tắc” phát xạ sớm (ESE) đang được chào bán tại Việt Nam
2 Thực tế lắp đặt đã chứng minh hệ thống chống sét phi truyền thống không tốt hơn so với cột thu lôi truyền thống
Hệ thống LE được lắp đặt tại nhiều sân bay ở thuộc cơ quan hàng không quân liên bang Mỹ (FAA) đã chứng tỏ chúng vô tác dụng[1,3] Sauk hi được lắp đặt hệ thống LE, sét vẫn tiếp tục đánh vào hệ thống LE của các cơ sở không quân và sân bay thuộc quyền quản lý của FAA như sân bay quốc tế Tampa, căn cứ không quân Eglin v.v và làm hỏng nhiều thiết bị Trong khi hệ thống thu sét truyền thống ở sân bay Sartosa của FAA trong cùng thời kỳ này cũng bị một vài lần sét đánh nhưng không gây thiệt hại gì về thiết bị Chính vì thế từ năm 1990, tiêu chuẩn chống sét mới của FAA đã quyết định sử dụng lại hệ thống chống sét truyền thống và cấm sử dụng chống sét kiểu LE trên toàn bộ các công trình của FAA
Trang 4Đối với hệ thống ESE, có rất nhiều dẫn chứng trong thực tế chứng tỏ sự vô tác dụng của nó GS Wilson [3] đã tiến hành lắp đặt ba loại chống sét trên cùng một vị trí trên đỉnh núi Magdalena ở bang New Mexico: một hệ thống chống sét truyền thống với kim thu nhọn, một hệ thống chống sét với kim thu được mài tù, và một hệ thống ESE Sau 12 năm quan sát ông nhận thấy chống sét truyền thống với kim thu được mài tù chịu 13 cú sét, còn hệ thống ESE và hệ thống truyền thống với kim thu nhọn không hề chịu bất kỳ cú sét trong khoảng thời gian đó Điều đó có nghĩa rằng
hệ thống ESE không hề hoạt động tốt hơn chống sét truyền thống như được quảng cáo Nhà khoa học người Malaysia Hartono có gần 20 năm theo dõi hoạt động của các hệ thống ESE trên khắp Malaysia và ông đã thu thập được vô số hình ảnh [6,7] chứng tỏ sét vẫn đánh thẳng vào công trình được hệ thống ESE bảo vệ, điều đó nghĩa là ESE không hề tăng phạm vi bảo vệ như những người đề xuất ra nó tuyên bố
Hình 3 Góc của các căn nhà ở Malaysia bị sét đánh vỡ (vị trí được khoanh tròn), ngay bên cạnh
nó là một hệ thống thu sét phát xạ sớm [6]
3 Hệ thống chống sét phi truyền thống bị cộng đồng khoa học và các tổ chức quốc tế tẩy chay
Một đặc điểm của các hệ thống thu sét phi truyền thống là những người đề xuất ra nó (thực ra là những công ty sản xuất các hệ thống này) chưa bao giờ cung cấp được các kết quả đo đạc hay tính toán thuyết phục Tất cả những lý thuyết biện minh cho hiệu quả của hệ thống chống sét phi truyền thống đều dựa trên những suy luận rất cảm tính mà không có bất cứ kiểm chứng độc lập nào Họ hoàn toàn im lặng trước thách thức của cộng đồng khoa học quốc tế về việc đưa ra luận
cứ kỹ thuật để chứng minh tính hiệu quả của hệ thống chống sét phi truyền thống, tuy nhiên vẫn lặp đi lặp lại những tuyên bố vô căn cứ đã bị bác bỏ từ lâu Vì thế hầu như tất cả các tiêu chuẩn liên quan đến chống sét của các tổ chức học thuật uy tín và các tổ chức khác như IEC, CIGRE, IEEE, Underwriters Laboratory (UL), quân đội Mỹ (US Army), Cơ quan không quân liên bang
Mỹ (FAA), Hiệp hội phòng cháy quốc gia Mỹ (NFPA)… đều từ chối đưa bất kỳ một thông tin nào liên quan đến hệ thống chống sét phi truyền thống hoặc cấm sử dụng chống sét loại này để bảo vệ công trình của họ
Một tiêu chuẩn hay được các nhà sản xuất chống sét kiểu ESE viện dẫn là tiêu chuẩn NF A
17-102 của Pháp hoặc UNE 21-186:1996 của Tây Ban Nha Tuy nhiên, tiêu chuẩn này là do chính GIMELEC, hiệp hội các nhà sản xuất các hệ thống ESE của Pháp thiết lập Sau đó các nhà sản
Trang 5xuất của Tây Ban Nha cũng lấy y nguyên tiêu chuẩn này và gọi nó là UNE 21-186: 1996 Nói cách khác những người sản xuất ra các hệ thống ESE tự làm ra một tiêu chuẩn và căn cứ vào đó
để bán sản phẩm của mình Tiêu chuẩn NF A 17-102 bị chính một viện nghiên cứu uy tín thuộc chính phủ Pháp là INERIS (Viện nghiên cứu quốc gia Pháp về môi trường công nghiệp và nguy hiểm) bác bỏ trong báo cáo năm 2001[8] Ngay cả thí nghiệm được trình bày trong tiêu chuẩn
NF A 17-102 cũng được chứng minh là mắc nhiều sai lầm [1-3] trong đó nghiêm trọng nhất là việc những người làm thực nghiệm cố tình đưa hệ thống ESE vào gần nguồn phát sét hơn hệ thống thu sét truyền thống để chứng minh hệ thống ESE hút sét tốt hơn, tuy nhiên họ lại không (hoặc cố tình không) lặp lại chính thực nghiệm đó bằng cách đảo vị trí hai hệ thống thu sét xem kết quả có thực sự chứng minh hệ thống ESE hiệu quả hơn hay không?
Một tiêu chuẩn khác cũng hay được các nhà sản xuất hệ thống ESE viện dẫn là tiêu chuẩn của
Úc và NewZealand về chống sét AS/NZS 1768 Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn này phần liên quan
hệ thống ESE được đề cập ở phần phụ lục thông tin (informative appendix) Chú ý rằng phụ lục thông tin là phần nằm hoàn toàn tách rời với các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc trong tiêu chuẩn và chỉ mang ý nghĩa đưa thêm thông tin Tuy nhiên những nhà sản xuất ESE cố tình lập lờ chi tiết này và người mua thường hiểu lầm rằng hệ thống ESE được các tiêu chuẩn đó công nhận
4 Nhưng những hệ thống chống sét phi truyền thống vẫn được chào bán rộng rãi
Các hệ thống chống sét phi truyền thống thường được xuất xứ từ những quốc gia ít nhiều có những “tiêu chuẩn” liên quan đến nó như Pháp, Úc, Tây Ban Nha, Ý, thậm chí từ Mỹ, Thái Lan hay Thổ Nhĩ Kỳ Các hệ thống này đã và đang được chào bán rộng rãi ở Việt Nam Chỉ cần tìm kiếm trên mạng bằng từ khóa “chống sét tích cực” hoặc “chống sét chủ động”, “chống sét đa tia”, “chống sét phát xạ sớm” chúng ta sẽ nhận được vô số quảng cáo tuyệt vời về những sản phẩm này như ”giảm cường độ điện trường của khu vực cần bảo vệ”, “tạo màn chắn trên công trình”, “tạo đường dẫn phát tia tiên đạo sớm”, “cắt lọc sét”, “chủ động phóng luồng ion về phía đám mây” v v Không chỉ ở Việt Nam, các nhà sản xuất loại chống sét kiểu này vẫn tiếp tục bán sản xuất và bán sản phẩm của họ khắp nơi Và không ai cũng có đủ thông tin để biết rằng những quảng cáo của họ là sai sự thật Có một số lý do mà sản phẩm chống sét phi truyền thống này vẫn bán chạy, đó là:
- Hệ thống chống sét truyền thống quá đơn giản và rẻ tiền Mặc dù hệ thống này hoạt động tốt hơn 250 năm nay và có mặt ở hầu hết các tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia, nhưng người
ta vẫn cảm thấy nó quá đơn giản so với hiểu biết của họ về sét Vì thế khi được nghe về một hệ thống “hiện đại” với chức năng vượt trội so với loại truyền thống thì suy nghĩ đơn giản của chúng ta sẽ là “Phức tạp hơn và đắt hơn chắc là tốt hơn” Thực tế chi phí của một hệ thống thu sét cũng khá nhỏ so với chi phí của cả một công trình nên cũng ít người quan tâm đến số tiền chênh lệch giữa dùng hệ thống truyền thống và hệ thống chống sét phi truyền thống
- Những nhà sản xuất và người bán hàng cũng đánh trúng tâm lý này nên họ kết hợp rất nhiều chiến thuật để quảng cáo về hệ thống chống sét phi truyền thống như dẫn chứng
Trang 6những địa điểm nổi tiếng ở trong và ngoài nước đã từng lắp loại chống sét này, người mua hàng rất khó kiểm chứng là điều đó có thật hay không Cho dù có thật đi chăng nữa, thì cũng chẳng ai biết rằng hệ thống này có hiệu quả gì hơn so với loại truyền thống không Ngoài ra người bán hàng có thể dùng chiêu “dọa dẫm” như nói đến hậu quả của sét đánh nếu vẫn dùng hệ thống truyền thống, hoặc viện dẫn những “tiêu chuẩn” như đã
đề cập ở trên để chứng tỏ rằng ở “nước ngoài” họ cũng sử dụng rộng rãi loại chống sét này
5 Hậu quả của việc sử dụng loại chống sét phi truyền thống
Như đã trình bày ở trên cả lý thuyết lẫn thực nghiệm đều chứng tỏ rằng chống sét phi truyền thống cũng chỉ hoạt động như chống sét truyền thống, thậm chí kém hiệu quả hơn Không chỉ phải bỏ chi phí cao hơn so với chống sét truyền thống, sử dụng chống sét phi truyền thống còn nguy hiểm ở chỗ những nhà sản xuất loại chống sét này lại tuyên bố phạm vi bảo vệ của loại này lớn hơn nhiều lần so với chống sét truyền thống Điều đó dẫn tới việc thay vì sử dụng nhiều đầu thu sét đặt ở nhiều vị trí khác nhau để bảo vệ cho toàn bộ công trình, hệ thống thu sét phi truyền thống chỉ dùng một đầu thu để bảo vệ cho cả một khu vực rộng lớn Như vậy, gần như toàn bộ công trình gần như không được bảo vệ nếu sử dụng loại chống sét phi truyền thống Tuy nhiên sẽ còn là thảm họa nếu hệ thống chống sét phi truyền thống được lắp đặt ở những khu vực nhạy cảm như kho xăng dầu, nhà máy điện hạt nhân hay khu vực có người ở v…Vì thế, không phải quá lời khi nói rằng những nhà sản xuất chống sét phi truyền thống đang bắt khách hàng trả nhiều tiền để được sét đánh
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M A Uman và V A Rakov, “A critical review of non conventional approaches to lightning protection”, Bulletin of the American Meteorological Society, December 2002, pg 1817
[2] Vernon Cooray, “Non conventional lightning protection systems”, 2010 International
Conference on Lightning Protection, 2010 ICLP, Cagliari, Italy, 13-17 September 2010
[3], William Rison, “Experimental Validation of Conventional and Non-Conventional Lightning Protection Systems”, 2003 IEEE Power Engineering Society General Meeting, 13-17 July 2003 [4] Allen, N.L và các cộng sự, “Tests of the ‘early streamer emission’ principle for protection against lightning”, IEE Proc.-Sci Meas Technol 145, pp 200-206, 1998
[5] The Electrical Engineering and Power Systems Group, “The Results of Tests on ESE & Franklin Terminals”, Test Report No 43427, University of Manchester Institute of Science and Technology
[6] Z A Hartono và I Robiah, “Performance of non standard lightning air terminals: revisited”,
29th International Conference on Lightning Protection, 23– 26, June 2008
[7] Z A Hartono và I Robiah, “Conventional and Un-conventional Lightning Air Terminals:
An Overview”, Forum on Lightning Protection, Hilton Petaling Jaya, 8th January 2004
[8] Gruet, P, “Etude des Paratonnerres a Dispositif d’Amorcage”, INERIS, October 2001
