Đồ án tốt nghiệp Chống sét

Trong công cuộc đổi mới, xây dựng và phát triển của đất nước ta, ngày càng có nhiều công trình xây dựng, nhà máy mọc lên nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho nhân dân. Bên cạnh sự ưu đãi của thiên nhiên cho con người cũng kèm theo sự khắc nghiệt của nó. Trong đó sét là một hiện tượng tự nhiên có thể gây nguy hiểm đến tính mạng con người và tài sản. Vì vậy, ngoài việc xây dựng các công trình chúng ta cần phải có biện pháp bảo vệ tránh được thiệt hại do sét gây ra. Năm 1752 nhà bác học người Mỹ là Benjamin Franklin đã khám phá ra nguyên tắc cơ bản trong việc phòng chống sét trực tiếp là dùng cột nhọn (kim Franklin) để thu sét và dẫn sét xuống đất, bảo vệ các công trình xây dựng. Tuy nhiên, kim Franklin cũng có nhượt điểm là phạm vi bảo vệ hẹp , làm việc không tin cậy và không hiệu quả. Ngày nay, với sự phát triển của KHKT, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo được các thiết bị thu sét hiệu quả hơn. Trong tập kuận án này xin trình bày các lý luận cơ bản về sét và các phương pháp phòng chống sét trực tiếp sử dụng công nghệ mới bao gồm nội dung là: Tổng quan về sét và các phương pháp phòng chống sét trực tiếp. Giới thiệu hệ thống chống sét System 3000 (của hãng GLT – Uùc) và các phần mềm liên quan. Thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM.

Năm 1752 nhà bác học người Mỹ là Benjamin Franklin đã khám phá ra nguyên tắc cơ bản trongviệc phòng chống sét trực tiếp là dùng cột nhọn (kim Franklin) để thu sét và dẫn sét xuống đất, bảo

vệ các công trình xây dựng

Tuy nhiên, kim Franklin cũng có nhượt điểm là phạm vi bảo vệ hẹp , làm việc không tin cậy vàkhông hiệu quả Ngày nay, với sự phát triển của KHKT, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạođược các thiết bị thu sét hiệu quả hơn Trong tập kuận án này xin trình bày các lý luận cơ bản về sét

và các phương pháp phòng chống sét trực tiếp sử dụng công nghệ mới bao gồm nội dung là:

- Tổng quan về sét và các phương pháp phòng chống sét trực tiếp

- Giới thiệu hệ thống chống sét System 3000 (của hãng GLT – Uùc) và các phần mềm liênquan

- Thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp cho trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Sinh viên thực hiện

CAO MINH TRIẾT

1/ Quá trình phóng điện của sét:

1.1/ Sự hình thành mây dông và sét:

Dông là hiện tượng xãy ra chủ yếu vào mùa hạ liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ của đốilưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển Dông được đặt trưng bởi sự xuất hiện những đám mâydông hay mây tích vũ (Cumulonimbus) có độ dầy từ 10 ÷ 16 Km, tích tụ một lượng nước và tạo

ra những điện thế cực mạnh

Trong thực tế sự hình thành các cơn dông gắn liền với sự xuất hiện của những luồng không khíkhổng lồ từ mât đất bốc lên Các luồng không khí này được hình thành do sự đốt nóng bởi ánhsáng mặt trời, đặc biệt ở các vùng cao (dông nhiệt) hoặc do sự gặp nhau của những luồng khôngkhí nóng ẩm với không khí lạnh (dông Front) Sau khi đã đạt được độ cao nhất định (khoảng vài

Hình 1.1: Sự phân bố điện tích giữa các đám mây và mặt đất.

Hình trên (hình 1.1) cho ta thấy sự phân bố điện tích trong một đám mây và trên mặt đất Khiphần dưới của đám mây mang điện tích âm bị hút về phía mây mang điện tích dương trên mặt đất,vật nào trên mặt đất càng cao thì khoảng cách giữa vật và đám mây càng nhỏ và lớp không khí ngăncách giữa vật và mây càng nhỏ cũng như lớp ngăn cách các điện tích trái dấu càng mỏng Ơû nhữngnơi này sét dễ đánh xuống mặt đất Khi đến gần nhà cao, cây cao thì mây dông mang điện tích âmhútcác điện tích dương làm cho chúng tập trung lại ở một điểm cao nhất: trên mái nhà, ngọn cây,…(còngọi là hiệu ứng mũi nhọn) Nếu điện tích mây lớn thì trên mái nhà, ngọn cây,… cũng tập trung mộtđiện tích lớn Đến một mức độ nào đó độ lớn của các điện tích trái dấu nói trên sẽ tạo nên một sựchênh lệch điện thế để đánh thủng lớp không khí ngăn cách nó với mặt đất (cường độ điện trường ởmặt đất lúc này khoảng 25 ÷ 30kV/cm), lúc này xãy ra hiện tượng phóng điện giữa đám mây dông

và mặt đất

Hình 2.1 : Sự phát sinh của sét trong đám mây dông.

Sét thực chất là một dạng phóng tia lửa điện trong không khí với khoảng phóng đện rất lớn.Chiều dài trung bình của kênh sét khoảng từ 3 ÷ 5 Km Phần lớn chiều dài đó phát triển trong đámmây dông Quá trình phóng điện của sét tương tự quá trình phóng điện tia lửa trong điện trường rấtkhông đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn

1.2/ Các giai đoạn phóng điện của sét:

Ban đầu xuất phát từ mây dông một dãi sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đấtvới tốc độ trung bình khoảng 105÷ 106 m/s , đó là giai đoạn phóng điện tiên đạo theo từng đợt Kênhtiên đạo là một dòng Plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013÷1014 ion/m3 Một phầnđiện tích âm của mây dông tràn vào kênh vàphân bố tương đối đều dọc theo chiều dài của nó (Hình1.3a)

Thời gian phát triển của kênh tiên đạo mỗi đợt kéo dài khoảng 1s (mỗi đợt kênh tiên đạo kéodài thêm trung bình vài chục mét) Thời gian tạm ngưng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng từ 30

÷ 90 m

Hình 3.1: Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian.

a. Giai đoạn phóng điện tiên đạo

b. Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hoá mãnh liệt

c. Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu

d. Phóng điện chủ yếu kết thúc

Điện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng: Q = σ.L

Với: σ là mật độ điện tích

L là chiều dài kênh

Điện tích này thường chiếm khoảng 10% lượng điện tích chạy vào đất trong một lần phóng điệnsét Dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi điện tích của mây dông và điện tích trong kênh tiênđạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu (thường là điện tích dương) trên vùng mặt đất phía dưới đámmây dông Nếu vùng đât phía dưới bằng phẳng và có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích cảm ứngtập trung sẽ nằm trực tiếp dưới kênh tiên đạo Nếu vùng đất phía dưới có điện dẫn khác nhau thì điệntích sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi có điện dẫn cao như vùng quặng kim loại, vùng đất ẩm,

ao hồ, sông ngòi, vùng nước ngầm, kết cấu kim loại các nhà cao tầng, cột điện, cây cao bị ướt,…những nơi đó sẽ là nơi đổ bộ của sét

Cường độ điện trường ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của nó (trongmây dông) được xác định bởi điện tích bản thân của kênh và của điện tích tích tụ ở đám mây Đường

đi của kênh tiên đạo này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất Chỉ khi kênh tiên đạo còn cáchmặt đất một độ cao định hướng nào đó thì mới thấy rõ dần ảnh hưởng sự tập trung điện tích ở mặt đất

và ở các vật thể dẫn điện nhô khỏi mặt đất với hướng phát triển tiếp tục của kênh theo hướng cócường độ điện trường lớn nhất

Ơû những nơi vật dẫn có độ cao (nhà cao tầng, cột ăng ten, đài phát thanh,…) từ đỉnh của nónơi điện tích trái dấu tập trung nhiều sẽ đồng thời xuất hiện ion hóa tạo nên dòng tiên đạo phát triểnhướng lên đám mây dông Chiều dài của kênh tiên đạo từ dưới lên trên tăng theo độ cao của vật dẫn

và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hướng của sét vào vật dẫn đó

Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh tiên đạo ngược chiềuthì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngược lại hay phóng điện chủ yếu (tương tự như các quá trìnhphóng điện ngược trong chất khí ở điện trường không đồng nhất (Hình 1.3b) Trong khoảng cách khícòn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất, cường độ điện trường tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệtdẫn đến hình thành một dòng Plasma có mật độ điện tích từ 1016÷ 1019 ion/m3 cao hơn nhiều so vớimật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần điện tích cảm ứng từ mặt đấttràn vào dòng ngược và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất làm cho cường độ trường đầu dòngtăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ như vậy dòng Plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngược lêntrên theo đường chọn sẵn của kênh tiên đạo Tốc độ phát triển của kênh tiên đạo phóng ngược rất caovào khoảng 0,5.107÷ 1,5.108m/s (bằng 0,05 ÷ 0,5 lần vận tốc ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm

Kết quả quan trắc sét cho thấy phóng điện sét thường xãy ra nhiều lần kế tục nhau (trung bình là

3 lần, nhiều nhất có thể đến vài chục lần) Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục(không theo từng đợt như lân đầu), không phân nhánh và theo đúng quĩ đạo của lần đầu nhưng vớitốc độ cao hơn (2.106m/s)

Qua nghiên cứu về sét, người ta lý giải được sự phóng điện nhiều lần của sét như sau: trong đámmây dông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau được hình thành do những luồng không khíxoáy Lần phóng điện đầu đưọc xãy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cường độ điện trường caonhất Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu điện thế giữa các trung tâm điện tích này với trungtâm điện tích đầu tiên thực tế không thay đổi và ít có ảnh hưởng qua lại với nhau Nhưng khi kênhphóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điệnthế của đất làm cho hiệu điện thế giữa trung tâm đã phóng với trung tâm điện tích lân cận tăng lên và

có thể dẫn đến phóng điện với nhau Khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện thế dẫn nhấtđịnh do sự khử ion chưa hoàn toàn nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quỹ đạo đó, liên tục vàvới tốc độ cao hơn lần đầu

Hình 4.1: Quá trình phát triển của phóng điện sét

+ Biên độ dòng sét: là giá trị lớn nhất của dòng điện sét

+ Thời gian đầu sóng (τđs ): là thời gian mà dòng sét tăng từ 0 đến giá trị cực đại

+ Độ dốc dòng điện sét: a = dis/dt

+ Độ dài dòng sét (τs): là thời gian từ đầu dòng sét đến khi dòng sét giảm ½ biên độ

Hình 5.1: Dạng sóng dòng điện sét.

2.1/ Biên độ dòng sét và xác suất xuất hiện:

Dòng điện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu đến trung tâm điện tích của đámmây dông

Xác suất xuất hiện dòng điện sét có thể tính gần đúng theo công thức:

+ Cho vùng đồng bằng:

VI = e-is/60 = 10-is/60, hay lgVI = -is/60 (đường cong1)

+ Cho vùng núi cao:

VI = 10-is/30 , hay lgVI = -is/30 (đường cong 2)

(VI là xác suất xuất hiện dòng điện sét, có biên độ lớn hơn hoặc bằng is)

Chẳng hạn, xác suất phóng điện sét có biên độ dòng sét is ≥ 60KA :

lgVI = -60/60 = -1 ⇒ VI = 0,1 = 10%

Có nghĩa là trong tổng số lần sét đánh chỉ có 10% số lần sét có biên độ dòng điện sét từ 60KA trởlên

2.2/ Độ dốc đầu sóng dòng điện sét và xác suất xuất hiện:

Để đo độ dốc dòng điện sét người ta dùng một khung bằng dây dẫn nối vào một hoa điện kế Khisét đánh vào cột thu sét với độ dốc a thì trong khung sẽ cảm ứng lên một sức điện động bằng Mdis/dt(M là hệ số hổ cảm giữa dây dẫn dòng điện sét của cột thu sét với khung)

Điện áp đầu ra của khung: U = M(dis/dt)max

Độ dốc lớn nhất của dòng điện sét chạy qua cột: a = (dis/dt)max, (KA/µs)

* Xác suất xuất hiện độ dốc có thể tính theo:

+ Cho vùng đồng bằng: Va = e-a/15,7 = 10-a/36

+ Cho vùng núi cao: Va = 10-a/18

2.3/ Cường độ hoạt động của sét:

Cường độ hoạt động của dông sét được xác định bằng số ngày dông trong một năm và xem nhưtrị số trung bình qua nhiều năm quan sát và đo đạt ở những địa phương khác nhau Số lần sét đánhluôn thay đổi trong một ngày

Theo tài liệu “Hướng dẫn thiết kế bảo vệ chống sét cho nhà ở và công trình – CH 305 – 69” củaLiên Xô củ ,số lần sét đánh trong một năm vào công trình (khi chưa có hệ thống bảo vệ chống sét)được xác định theo công thức sau:

(S + 3hx)(L + 3hx)n

N =

106

trong đó: S – chiều rộng của nhà(công trình) , m

L – chiều dài của nhà(công trình), m

hx – chiều cao tính toán của nhà(công trình), m

n – số lần sét đánh trung bình trên 1Km2 trong một năm xãy ra ở địa phương xây dựngnhà(công trình)

* Số lần sét đánh trung bình trên 1Km2 trong một năm:

Bảng 1.1:

Số giờ dôngtrong năm Số lần sét đánhTrung bình

* Số ngày dông trung bình trong năm ở một số địa phương của Việt Nam (theo số liệu của tổng cụckhí tượng thủy văn thống kê):

Bảng 2.1 :

TT Địa phương Ngày

dông/năm T T Địa phương dông/năm Ngày

Khánh hòa - Nha trang

Kiên giang - Rạch giá

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Nghệ an - Vinh Phú yên - Tuy hòa Quảng bình - Đồng hới Quảng nam - Đà nẵng Quảng ngãi

Quảng ninh - Hòn gai Quảng trị - Đông hà Sông bé - Phước long Sơn la

Tây ninh Thái bình Thanh hóa Thừa thiên - Huế Tiền giang - Mỹ tho Trà vinh - Càng long Tuyên quang Yên bái Côn đảo Trường sa Phú liễn Mống cái Tam đảo Phú thọ Điện biên Sapa

88,4 37,6 71,7 76,0 75,2 87,1 72,4 104,1 105,5 126,3 53,8 99,0 93,9 123,8 118,1 88,2 83,6 57,3 52,3 104,1 111,9 95,8 111,3 110,3 90,8

3/ Tác hại của dòng điện sét:

- Khi một công trình bị sét đánh trực tiếp dòng sét sẽ gây tác hại về cơ , nhiệt và điện từ

- Nếu các công trình nối liền với các vật dẫn điện kéo dài như : đường dây điện, dây điện thoại,đường rây, ống nước gas bằng kim loại, những vật dẫn ấy có thể mang điện thế cao từ xa đến khichúng bị sét đánh, gây nguy hiểm cho người và các thiết bị nối với nó

- Cần chú ý là điện áp có thể cảm ứng trên các vật dẫn (cảm ứng tĩnh điện, hoặc các dây dẫnđiện tạo thành những mạch vòng cảm ứng điện từ) Khi có phóng điện sét ở gần điện áp này có thểlên đến hàng chục kV và do đó rất nguy hiểm

Như vậy, sét có thể gây nguy hiểm trực tiếp và gián tiếp cần phải có các phương pháp phòngchống sét trực tiếp và gián tiếp hữu hiệu, giảm thiểu các rủi ro do sét gây ra

B CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT TRỰC TIẾP :

1/ Khái niệm chung:

Để chống sét đánh trực tiếp cho đến nay thường dùng hệ thống thu sét bằng cột thu lôi, đốivới các tòa nhà công nghiệp, trạm, kiến trúc cao tầng, bộ phận thu sét có thể dùng kim, dây, đaihoặc lưới thu sét Yêu cầu của việc chống sét là toàn bộ công trình được bảo vệ cần phải nằm trongvùng bảo vệ của hệ thống thu sét, hệ thống này có thể nằm ngay trên kết cấu công trình hay đặt cách

ly tùy thuộc vào hoàn cảnh và điều kiện cụ thể Song song với việc chọn lựa hệ thống thu sét còn lưu

ý đến vấn đề nối đất chống sét, nối đất bảo vệ và nối đất chống sét cảm ứng Phương án chống sét

2/ Chống sét theo phương pháp cổ điển:

2.1 Kim thu sét Franklin:

- Vào năm 1752 nhà khoa học người Mỹ Benjamin Franklin đã phát hiện ra các nguyên tắcchống sét cơ bản này Các điện cực Franklin có độ cao thay đổi từ 2m đến 3m hoặc cao hơn Cácthanh Franklin này được đặt ở nhiều điểm trên nóc nhà hoặc đỉnh cột cao Cột thu sét có nhiều kiểukhác nhau, về cấu tạo bao gồm các bộ phận sau:

Nếu cột làm bằng kim loại có thể dùng thân cột để làm dây dẫn sét, cột làm bê tông lõi thép

có thể dùng thép trong cột làm dây dẫn sét, và đối với những nhà, công trình có những cấu kiện bằngthép hoặc bê tông cốt thép thì có thể dùng các phần kim loại của cấu kiện để làm dây dẫn sét.Trongcác trường hợp trên, phần kim loại dùng vào việc truyền dẫn dòng điện sét phải có tiết diện từ100mm trở lên (với thép) và phải bảo đảm liên tục về mặt dẫn điện

2.2 Đai và lưới thu sét:

Đai và lưới thu sét dùng để chống sét đánh thẳng có thể làm bằng thép dẹp hay tròn với tiếtdiện không được nhỏ hơn 35mm2 Đai hoặc lưới cho phép đặt bên dưới lớp chống thấm hay lớp cáchnhiệt của nó

Cũng có thể đặt kết hợp kim ngắn lên lưới thu sét, khoảng cách trung bình giữa các kim trênlưới từ 6 ÷ 12m (viền theo chu vi mái), kim dùng thép tròn 12 ÷16mm có chiều cao khoảng 0,5m

Hình 7.1: Lưới thu sét.

2.3 Dây thu sét:

Dây thu sét được dùng để bảo vệ cho những công trình có dạng hẹp và kéo dài cụ thể như

các đường dây dẫn điện trên không, có chiều dài đáng kể

Dây thu sét cũng có thể kết hợp với cột thu sét để bảo vệ cho các trạm phân phối điện Dâythu sét phải làm bằng thép, tiết diện dây không được nhỏ hơn 50mm2 và không được lớn hơn 75mm2

(theo TCN - 46 - 71)

Hình 8.1: Dây thu sét.

2.4 Cách xác định vùng bảo vệ:

+ Phương pháp quả cầu lăn:

Giữa điện tích và cường độ điện trường tại mũi tiên đạo sét cũng như giữa điện tích và biên

độ dòng sét có một mối quan hệ Từ mối quan hệ này một phương pháp được đưa ra vào cuối thậpniên 70 nhằm xác định điểm sét đánh dựa trên cơ sở của độ dài khoảng cách phóng điện, gọi làphương pháp “Quả cầu lăn” và phương pháp này đã được đưa vào tiêu chuẩn của Uùc AS 1768 -1991

Người ta giả thiết mũi tiên đạo sét ở điểm giữa (tâm) một quả cầu có bán kính bằng độ dàicủa khoảng cách phóng điện, như vậy sẽ có những điểm bề mặt quả cầu chạm với mặt đất hoặc các

bộ phận trên bề mặt đất, những điểm chạm đó có thể là những điểm sét đánh, cũng có các vùng bềmặt quả cầu không thể chạm đến, điều này được minh họa trên hình 9.1

Quả cầu này có bán kính khoảng 45m đối với mức bảo vệ tiêu chuẩn (dòng điện sét đánh10KA và hơn nữa) Đối với các công trình quan trọng (dễ cháy, nổ), người ta thiết kế quả cầu có bánkính 20m

Vùng bề mặt cầu không chạm tới được có thể ngăn cản sét gọi là vùng bảo vệ

Khoảng cách phóng điện Ds (độ dài cản sét) phụ thuộc vào biên đô dòng sét có thể xác địnhbằng công thức : Ds = 6,7.I0,8 ,m

Với I : là biên độ dòng sét (KA) phụ thuộc vào mức bảo vệ

Hình 9.1 : Mô tả vùng bảo vệ theo phương pháp quả cầu lăn.

+ Phương pháp hình nón:

a Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét là một hình nón tròn xoay có đường sinh dạng hyperbol, cótiết diện ngang là những hình tròn với bán kính rx được xác định:

Hình 10.1 : Phạm vi bảo vệ của cột thu sét

Để đơn giản trong thiết kế người ta thường thay thế đường cong bậc hai (đường sinh) của hình nón tròn xoay này bằng một đoạn đường gãy khúc vơí các phương trình đơn giản sau:

Thực nghiệm cho thấy là nên dùng nhiều cột với độ cao không lớn để bảo vệ thay cho mộtcột có độ cao lớn ; phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với tổng số phạm

vi bảo vệ của 2 cột đơn

Hình 12.1: Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao bằng nhau.

- Khi 2 cột thu sét đặt cách nhau một khoảng a = 7h thì bất kỳ điểm nào trên mặt đất trongkhoảng giữa 2 cột sẽ không bị sét đánh, từ đó suy ra nếu 2 cột thu sét đặt cách nhau mộtkhoảng a < 7h thì sẽ bảo vệ được độ cao ho xác định bởi:

a a

h - ho = ⇒ ho = - ho

8Các phần bên ngoài giống như trường hợp 1 cột, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòngcung đi qua 3 điểm : 2 đỉnh cột và một điểm ở giữa có độ cao ho, (ho được xem như độ cao của cộtthu sét giả tưởng nằm giữa 2 cột)

h1’ = h2 và khu vực bảo vệ giữa 2 cột h2 và h1’ cách nhau a’ đã được trình bày như 2 cột thu có độ caobằng nhau

Hình13.1: Phạm vi bảo vệ của 2 cột thu sét có độ cao không bằng nhau

Khi công trình cần được bảo vệ có phạm vi rộng lớn sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ Phầnngoài của phạm vi bảo vệ được xác định như của từng đôi cột Cần phải kiểm tra điều kiện bảo vệ antoàn cho toàn diện tích cần được bảo vệ Vật có độ cao hx sẽ nằm trong vùng được bảo vệ nếu thỏamãn điều kiện :

D ≤ 8(h - hx) với h ≤ 30m

D ≤ 8(h - hx)p với h > 30m

Hình 14.1: Phạm vi bảo vệ của 3 cột thu sét

Hình 15.1: Phạm vi bảo vệ của 4 cột thu sét.

b Phạm vi bảo vệ của dây chống sét (DCS ) :

Dây chống sét thường dùng để bảo vệ cho đường dây tải điện trên không Để bảo vệ người tatreo dây chống sét trên toàn bộ tuyến đường dây Tùy theo cách bố trí dây dài trên cột, có thể treo 1hay 2 dây chống sét sao cho dây dẫn điện của 3 pha đều nằm trong phạm vi bảo vệ của DCS

- Dải bảo vệ bx của cột treo 1 DCS được tính theo công thức:

+ Ở độ cao hx > 2/3 h thì:

bx = 0,6h (1-hx/h) p

+ Ở độ cao hx < 2/3 h thì:

bx = 1,2h (1-hx/0,8h) p

ho = h - S/4p.

Hình 17.1: Phạm vi bảo vệ của 2 dây chống sét

Khi dây dẫn bố trí ngang thì điều kiện để dây nằm giữa với độ cao hDD được bảo vệ là khoảngcách S giữa 2 DCS phải thỏa điều kiện :

S < 4p (hDCS - hDD)

Giới hạn phạm vi bảo vệ ở phía ngoài ở 2 DCS cũng giống như từng DCS riêng lẻ, còn khuvực bảo vệ giữa 2 DCS được giới hạn bởi cung tròn vẽ qua 2 điểm, ở giữa có độ cao ho

- Phạm vi bảo vệ của DCS trong thực tế:

Độ treo trung bình của dây dẫn thường hơn

2h/3, do đó trong trường hợp này chỉ cần xác định đúng

góc bảo vệ α là đủ (α : góc tạo bởi đường thẳng nối liền

điểm treo dây CS với dây dẫn và đường thẳng góc với mặt

đất qua điểm treo DCS (hình 18.1), α càng bé thì xác suất

sét đánh vào DD càng bé

Trường hợp giới hạn hDD = 2hDCS/3 thì

αgh = 31o (tgαgh = 0,6)

Để tăng mức an toàn (giảm xác suất sét đánh vòng qua

DCS vào DD) Thường chọn α = 20o ÷ 25o cho các đường

dây tải điện quan trọng

Hình:18.1

3 Chống sét theo phương pháp hiện đại:

Trong những thập niên vừa qua nhiều cuộc nghiên cứu vàthử nghiệm được tiến hành nhiều

nơi trên thế giới như ở Uùc, Pháp, Mỹ nhằm tạo ra một đầu thu đặc biệt có đặc tính tốt hơn đầuthu sét thông thường và có phạm vi bảo vệ rộng hơn Vào năm 1914 nhà vật lý người Hungari làSziza đặt ra câu hỏi nếu cột Franklin có được cải tiến hay không khi thêm vật liệu phóng xạ tạo racác ion tăng sự thu hút của sét ? Vài vật liệu phóng xạ đã được dùng là Uranium và Thyradium,cường độ của vật liệu phóng xạ được giới hạn là 1mili Curie là mức an toàn đối với con người.Ngoài ra, năm 1964 Ball đề xuất việc dùng tia Laze để phóng điện vào các đám mây dông, nó có thểchặn một tiên đạo khi tia tiên đạo phát triển hướng xuống đất Tia Laze có tác dụng như một dây dẫn

từ đám mây đến đất và kết thúc bằng một dây dẫn xuống và nối với một hệ thống nối đất Và một sốphương pháp nữa Tuy nhiên nhiều cuộc tranh luận và thử nghiệm xoay quanh các đề tài đó đi tớimột kết cục là nhiều ý tưởng khó mà thực hiện được và khó mà chứng minh được tính hiệu quả củanó

Qua quan sát 30 năm trở lại đây, có các loại điện cực thu sét được cải tiến như:loại điện cựcphóng xạ, loại điện cực phát xạ sớm đã được ứng dụng vào thực tiễn

Trên thị trường Việt Nam hiện nay đang dùng các loại đầu thu phát xạ sớm (ESE), gồm cóPrevectron của hãng Indelec (Pháp), EF của hãng EF Carrich System (Thụy Sỉ), Dynasphere,Interceptor của hãng Global (Uùc)

3.1 Kim thu sét phát xạ sớm:

Về cơ bản thiết bị chống sét tạo tia tiên đạo bao gồm:

- Kim thu sét trung tâm bằng đồng điện phân hoặc thép, hợp kim không rỉ Kim này có tácdụng tạo một đường dẫn dòng sét liên tục từ tia tiên đạo và dẫn xuống đất theo dây dẫn sét

- Thiết bị tạo ion, giải phóng ion và tạo tia tiên đạo Đây là tính năng đặc biệt của đầu thu sétphát xạ sớm Nhờ thiết bị này mà đầu thu sét có thể tạo ra vùng bảo vệ rộng lớn với mức độ an toàncao

Về nguyên tắc hoạt động trong trường hợp dông bão xảy ra điện trường khí quyển gia tăngkhoảng vài ngàn Vôn/mét, đầu thu sét sẽ thu năng lượng điện trường khí quyển, năng lượng nàyđược tích trữ trong thiết bị ion hóa Trước khi xảy ra hiện tượng phóng điện sét có một sự gia tăngnhanh chóng và đột ngột của điện trường khí quyển, ảnh hưởng này tác động làm thiết bị ion hóa giảiphóng năng lượng đã tích lũy dưới dạng ion tạo ra một đường dẫn tiên đạo về phía trên, chủ độngdẫn sét

- Quá trình ion hóa được đặc trưng bởi:

+ Thiết bị ion hóa cho phép ion phát ra trong khoảng thời gian rất ngắn và tại thời điểm thích hợpđặc biệt, chỉ vài phần của giây trước khi có phóng điện sét, do đó đảm bảo dẫn sét kịp thời chính xác.+ Sự xuất hiện một số lượng lớn các electron tiên đạo cùng với sự gia tăng của điện trường có tácdụng rút ngắn thời gian tạo hiệu ứng Corona

+ Đầu thu ESE phát ra một đường dẫn sét chủ động về phía trên nhanh hơn bất cứ điểm nhọn nàogần đó

với T : độ lợi về thời gian của từng đầu kim

h : chiều cao thực kim thu tính từ mặt bằng bảo vệ

D = 20m vơiù cấp bảo vệ cao nhất

D = 45m với cấp bảo vệ trung bình

D = 60m với cấp bảo vệ tiêu chuẩn

Hình 19.1 : Vùng bảo vệ của đầu thu Prevectron

+ Phạm vi bảo vệ của đầu thu Dynasphere được xây dựng trên phương pháp CollectionVolume của tiến sĩ A.J.Eriksow.Phương pháp này được mô tả như sau:

Điện tích Q phân bổ dọc theo luồng điện phóng xuống gây sự tăng nhanh điện trường giữa nó

và điểm tiếp đất Khi đạt đến giá trị điện trường tớái hạn, điểm tiếp đất phóng một luồng tiếp nhậnlên trên Khoảng cách ở nơi xảy ra sự kiện này gọi là “khoảng cách sét đánh” Điện trường tớái hạntùy thuộc vào cả điện tích phóng xuống và cả khoảng cách đến điểm tiếp đất Hình 20.1, cho thấy sựhình thành bán cầu khoảng cách sét xung quanh một điểm tiếp đất đơn độc , điện tích phóng càng lớnkhoảng cách này càng lớn Nếu luồng phóng xuống gần đến chu vi của hình cầu, vận tốc của nó cóthể mang nó tiến đến trước để tiếp nhận một luồng điện phóng lên khác Như vậy, có thể có trườnghợp luồng điện phóng xuống đi vào trong bán cầu phóng sét mà không có sự tiếp nhận (vì khoảngcách từ tia tiên đạo đến điểm phóng lên khác, nhỏ hơn từ tia tiên đạo đến điễm đang xét ) Tronghình 20.1 một hình Parabol giới hạn được đặt trên bán cầu Đường Parabol này được hình thành trêncác yếu tố vận tốc và hoàn chỉnh thể tích thu (Collection Volume) Vậy chắn có sự tiếp nhận bởi mộtđiểm liên hệ trên mặt đất Hình 20.1 cũng cho thấy thể tích thu trở nên rộng hơn với sự tăng điện tíchluồng có thể nói rằng luồng phóng xuống đi vào một thể tích như thế thì về lý thuyết chắc phóngxuống Có nghĩa là dòng điện sét càng lớn thể tích thu càng lớn

Hình 20.1: Vùng thu sét,bán cầu được bao bởi một parabola giới hạn

Một chương trình máy tính BENJI do Lightning Protection

International Ply Ltd xây dựng Nó tính toán mật độ điện trường

tương ứng ở mỗi giai đoạn và so sánh sự gia tăng điện trường của

các điểm đối diện (các góc và cạnh tòa nhà, ăng ten, thiết bị )

Sau đó chương trình tính ra điểm nào tạo ra tiên đạo hướng lên

đầu tiên gặp tiên đạo hướng xuống Sự phóng điện chính phóng trở

lại theo đường tiên đạo phóng lên / phóng xuống Có thể tính toán

bán kính thu cho mỗi điểm thích ứng

Các đầu thu của hãng Global đã chứng minh khả năng tạo ra

nhiềuthể tích thu lớn hơn cột Franklin

- Dây đồng trần điện phân mạ thiếc có tính dẫn tốt

- Dây thép không rỉ dùng trong môi trường ăn mòn cao

- Dây nhôm gắn trên bề mặt công trình bằng nhôm

Có thể dùng cốt thép trong cấu kiện bê tông cốt thép của công trình ,các vỏ bọc bằng kim loạibên ngoài công trình , các ống kim loại, làm dây dẫn sét ( đối với công trình có bảo vệ chống sétcấp 2, 3 )

Gần đây, còn dùng một dây xuống có bọc cách điện (dây Ericore) Thuận lợi chính của loạivật dẫn này cho phép người thiết kế hướng dòng sét đi vòng qua các vùng nhạy cảm, cáp này có thể

đi ngầm bên trong của kết cấu công trình Trong hầu hết trường hợp chỉ cần một dây dẫn xuống cóbọc

5 Hệ thống nối đất:

5.1 Nối đất chống sét

Thiết bị nối đất thường là các cọc, thanh bằng kim lọai hay băng đồng phẳng có hình dạng vàkích thước khác nhau chôn trong đất Cọc thường được chế tạo bằng các loại thép ống, thép tròn thépgóc.Thanh được chế tạo bằng các băng thép dẹt, thép tròn

Hệ thống nôí đất phải đãm bảo yêu cầu chi phí kim loại nhỏ nhất, bảo đảm độ bền cơ, bảođảm về chống ăn mòn khi đặt trong đất

Có thể xử dụng các kết cấu kim loại của công trình để làm nối đất tự nhiên như móng , ốngdẫn nước bằng kim loại chôn trong đất, vỏ cáp ngầm, nhằm mục đích giảm gía thành xây dựng hệthống nối đất cho công trình

Trị số điện trở nối đất càng bé tác dụng tản dòng điện sét càng cao Đối với vùng đất có độdẫn điệnxấu có thể dùng muối, than để cải thiện độ dẩn điện của đất Hiện nay người ta còn dùnghóa chất cải tạo đất để làm giảm điện trở suất của đất

Trong hệ thống nối đất còn có các bộ phận khác với mục đích kiểm tra và an toàn :

+ Nối kiểm tra : dùng để tách riêng dây dẫn xuống và hệ thống nối đất, nhờ đó có thể đochính xác điện trở hệ thống nối đất

+ Hộp quan sát : dùng để kiểm tra sự kết nối giữa dây dẫn xuống và hệ thống nối đất

+ Ống bảo vệ: bảo vệ khoảng dây dẫn xuống nối kiểm tra và mặt đất tránh khỏi các va chạm

có thể gây hư hỏng cho dây dẫn xuống

+ Máy đếm sét: để đếm những cú sét thực sự xảy ra cho một kiến trúc hay cho một hệ thốngdây dẫn xuống

5.2 Nối đất đẳng thế:

Khi dòng điện sét đi qua dây dẫn sét, có một sự chênh lệch điện thế giữa dây dẫn này và cáccấu trúc kim loại đặt nối đất bên cạnh Sự phóng điện nguy hiểm có thể xảy ra giữa dây dẫn sét vànhững bộ phận kim loại này

Tùy thuộc vào khoảng cách giữa dây dẫn sét với những bộ phận kim loại nối đất khác mà việcnối đẳng thế cần hay không cần thiết Khoảng cách tối thiểu không xảy ra sự phóng điện nguy hiểm

gọi là khoảng cách an toàn Khoảng cách này phụ thuộc vào cấp bảo vệ, số dây dẫn sét, khoảng cách

từ điểm nối đất đến các bộ phận kim loại đó

Sự phóng điện nguy hiểm sẽ không xảy ra khi khoảng cách d giữa các bộ phận kim loại của hệthống chống sét với các cấu trúc kim loại nối đất khác lớn hơn giá trị S Với S là khoảng cách an toàn

n = 0,4 : khi có 3 hay nhiều hơn dây dẫn sét

+ KI : là hệ số phụ thuộc vào vùng bảo vệ

KI = 0,1 đối với công trình có cấp an toàn cao nhất

KI = 0,075 đối với công trình có cấp an toàn trung bình

KI = 0,05 đối với công trình có cấp an toàn tiêu chuẩn

+Km : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu giữa dây dẫn sét và các phần kim loại nối đất liên quan

Km = 1 khi giữa chúng là không khí

Km = 0,5 khi giữa chúng là vật liệu cứng (không phải là kim loại)

+l : là chiều dài dọc theo dây dẫn sét từ điểm tính khoảng cách đến điểm nối đẳng thế gần đónhất

Việc nối đẳng thế không được thực hiện với loại ống dẫn các chất gây cháy nổ,

6 So sánh các loại đầu thu sét:

Bảng 3.1:

Loại điện cực

Chỉ cần một điện cực Chỉ cần một điện cực nhưng

loại bảo vệ này hiện nay cấm dùng ở nhiều nước

Cần nhiều điện cực trên nóc tòa nhà

Chỉ cho nhà được bảo vệ.

Không bảo vệ được cho các vùng công cộng

nhiều thanh trên mái nhà

Có nhiều hiệu quả vì sử

thống bảo vệ khác

Chi phí vừa phải Rất đắt

Không có các phần động,

tuổi thọ không giới hạn

Có các phần động, có nguồn cung cấp bên trong, có nguồn phóng xạ, có các tụ điện cần thay thế Nếu không bảo quản điện cực có thể không

có hiệu quả

Tuổi thọ giới hạn do các thành phần bị ăn mòn hoặc bị phá hoại

Dễ lắp đặt, chỉ cần một dây

dẫn xuống (dây ERICORE)

Giống S3000 Cần nhiều dây dẫn xuống Cứ

30m theo chu vi nhà cần một dây dẫn xuống

Dây ERICORE loại trừ

được nẹt điện biên gây chết

người, hư hỏng thiết bị

Dây dẫn xuống cũ, kỹ thuật không tiên tiến bằng ERICORE

Dây dẫn xuống thông thường không có hiệu quả

Dễ lắp đặt, không tốn kém,

dây dẫn xuống không gây

trở ngại có thể đặt bên trong

Giống S3000 Rất khó lắp đặt, đắt tiền, dây

đặt bên ngoài không có mỹ quan, bị oxy hóa

Yêu cầu bảo dưỡng ít Phải kiểm tra hàng năm để

bảo đảm nguồn phóng xạ không nguy hiểm Một vài điện cực có nguồn cung cấp riêng đòi hỏi bảo dưỡng và thay thế thường xuyên

Hầu như không thể bảo dưỡng xem như hệ thống trong điều kiện làm việc

Có thiết bị đếm sét Không có thiết bị đếm Không có thiết bị đếm

Khách hàng không có CAD chương trình để xác định sự bố trí các điện cực và các dây dẫn xuống Thiết kế bằng tay, mất thời gian và đắt tiền

• Tiếp đất: Hệ thống tiếp đất phải có trở kháng thấp đểï phân tán dòng sét được an toàn Mạnglưới tiếp đất thay đổi từ công trình này đến công trình khác tùy theo địa hình của côngtrình.Trong nhiều vùng có thể dùng cột đóng sâu cho một tiếp đất hiệu quả Ở vùng đất đá, ưutiên dùng tiếp đất rẽ quạt.

2 Hệ thống chống sét 3000:

2.1 Giới thiệu hệ thống chống sét 3000:

Hệ thống chống sét S3000 là một tiến bộ trong việc phòng chống sét Hệ thống được thiết kế

để thu sét từ một thể tích vùng thu được quyết định trước và dẫn dòng sét xuống đất một cách antoàn

Hệ thống chống sét gồm các bộ phận sau:

- Đầu thu sét Dynasphere: là điểm đầu tiên để bắt sét đánh vào cấu trúc mà nó bảo vệ.

Dynasphere hoàn toàn cách điện khỏi cấu trúc và được nối với dây thu lôi Ericore, để cungcấp một hệ thống cách điện toàn diện

- Thanh chống (kết cấu đỡ): dùng để gắn đầu Dynasphere và làm Dynasphere cách điện khỏi

cấu trúc

- Dây dẫn xuống (ERICORE): tải điện xuống đất không làm điện hóa cấu trúc cần bảo vệ.

Việc này đảm bảo an toàn cho người và cho thiết bị Dây dẫn loại bỏ rủi ro phóng điện biên vì bộphận truyền điện ở trung tâm được che chắn khỏi các vật khác

- Thiết bị đếm sét : theo dỏi số lần đầu Dynasphere đã thu sét

- Hệ thống nối đất : gồm các cọc đất, băng đồng và hóa chất làm giảm điện trở đất.

Việc thiết kế các bộ phận đã được nghiên cứu theo dõi trong phòng thí nghiệm và thực tếngoài tự nhiên

2.2 Đầu Dynasphere:

2.2.1 Quan điểm thiết kế:

Từ lý thuyết và thực nghiệm cho biết khoảng thời gian mà điểm nhọn của cột thu lôi cóthể sinh ra một khoảng điện tích ngay trên nó Sự hiện diện của khoảng điện tích sẽ bổ sung cho điệntrường ở đỉnh và gây khó khăn cho điều kiện phóng điện tự duy trì hay nói cách khác làm giảm cơhội sinh ra tia phóng lên

Mô hình của cơ chế này như sau:

- Mây dông tiến đến điện trường tăng

- Hiện tượng vầng quang (vầng corona) bắt đầu bao quanh đỉnh cột khi điện trường ở đỉnh cộtvượt mức đánh thủng không khí

- Điện tích vầng quang xen vào giữa cột nhọn và điện tích trung tâm ở mây dông Vầngquang làm thay đổi điện trường ở đỉnh cột

- Tia tiên đạo phóng xuống, điện trường tăng, vầng quang tăng, điện trường đỉnh bị che kín.Điện trường gần đỉnh không tăng tuyến tính với điện trường trung gian ở xa hơn

- Quá trình tiếp tục cho đến khi tia phóng xuống trở nên khá gần đến lúc nào đó cột phát ramột tia phóng lên dương tính (xuất phát từ cực thanh dương)

- Tia phóng lên vượt qua vầng điện quang tìm đến tia phóng xuống

Vì điện trường ở gần đỉnh cột bị hiệu chỉnh trong tình huống trên, một tia sét có thể tiến đếnkhoảng vài mươi mét trước khi có sự phát ra tia đi lên từ cột thu lôi

Tác dụng trên có thể giải thích cho hiện tượng , sét đi vòng qua cột thu lôi đánh vào cấu trúcbên dưới

Các thí nghiệm mô hình ( standler R “ Response of elevated conductors to lightning “ msthesis New Mexico Institute of technology april 1975 ) đưa ra nhận xét khoảng điện tích trên cộtnhọn làm cho sự phóng điện xuyên qua có thời gian trì hoãn lên đến 500s Điều này đưa đến sự đềxuất dạng hình học của các đầu tiếp điện trên không có một hiệu quả quan trọng khi các điểm cạnhtranh trên cấu trúc cũng cố gắng cho ra đồng thời một tia phóng lên Các nghiên cứu từ phòng thínghiệm và hiện trường cho thấy điện trường trung gian giữa tia phóng xuống và mặt đất khoảõng500KV/m cần thiết cho tiến trình đi lên của tia phóng lên Dòng đi lên mà cuối cùng sẽ mở rộng đếntia tiên đạo hướng xuống đòi hỏi sự phát sinh điện trường gần bằng 3MV/m ở một điểm trên mặt đất

Thảo luận trên dẫn đến việc xem xét một đầu thu lý tưởng sẽ cực tiểu hóa corona ở chế độtĩnh (khi chưa có sự xuất hiện của tia tiên đạo) nhưng làm tăng sự tập trung điện trường trong điềukiện động xảy ra trong khi có một tia phóng xuống làm cho nó có độ lợi thời gian tạo đường dẫn chủđộng về phía trên của đầu thu so với các loại kim thu sét thông thường trong cùng điều kiện

Ba điều kiện cơ bản phải đạt được với một đầu thu là:

- Cường độ điện trường của đầu thu : 3MV/m để phóng lên một dòng

- Các điện tử tự do vượt mức 108electron / sec ở điểm nối đất để đảm bảo mở đầu “thác điệntử”

- Điện trường trung gian giữa đầu thu và điểm phóng xuống vượt mức 400KV/m để đảmbảo sự tự kích ( Self Propagation) điểm phóng lên sau mở đầu thác

2.2.2 Vật liệu và kích thước:

Hình 1.2

Vật liệu của đầu Dynasphere không bị ăn mòn trong không khí bình thường

- Đầu tiếp đất có tiết diện 300mm2 được làm bằng vật liệu không chứa sắt

- Quả cầu bọc bên ngoài đầu tiếp đất được làm bằng nhôm anod hóa có kích thước :

- Đầu thu không phóng xạ nên không cần xin giấy phép sử dụng

- Hìng dạng bên ngoài của đầu thu nhằm giảm nhỏ sự hình thành vầng quang dưới trườngtĩnh điện của cơn dông

- Đầu thu không cần pin hay nguồn cấp năng lượng nào bên ngoài cho bất kỳ bộ phận nàocủa nó hoạt động Đầu thu không chứa phần động

- Đầu thu được làm bằng vật liệu không bị ăn mòn trong điều kiện khí quyển bình thường

- Đầu thu được cách điện khỏi cấu trúc bảo vệ Thể tích vùng thu và bán kính hấp dẫn củađầu thu, được đưa ra từ thống kê và những nghiên cứu về sét được chấp nhận và biết đến

- Đầu thu được đặt tối thiểu 10m từ mặt đất

- Đầu thu phải được lắp đặt nghiêm ngặt theo hướng dẫn của nhà sản xuất

- Vùng bảo vệ được qui định bởi điện cực phải thích hợp với điểm sét đánh cho tất cả cácsét vượt quá biên độ của dòng điện sét xxKA theo mức bảo vệ yy Thiết kế phải tínhtoán đến sự phóng một tia đi lên của các điểm cạnh tranh (mũi nhọn, gỡ mái ) từ côngtrình cần bảo vệ

Bảng 1.2

Dòng sét ( xx ) Mức bảo vệ (yy ) Khả năng xuất hiện3KA

6KA10KA15KA20KA

Rất caoCaoTrung bìngChuẩnThấp

Trong điện trường tương đối ổn định xảy ra dưới một cơn dông Dynasphere là một thiết

bị thụ động Trong trường tĩnh điện này quả cầu được nối đất qua trở kháng và gây ra corona cực tiểu

do dạng hình học của nó

Trong trường điện động, khi có sự gia tăng nhanh chóng và đột

ngột của điện trường khí quyển, qúa trình qúa độ xày ra,việc tiếp

cận một tia phóng xuống tạo thành một điện dung ghép giữa tia

phóng xuống và mặt cầu

Mặt cầu sẽ phản ứng lại sự tăng nhanh điện trường bằng cách

tăng thế do hằng số thời gian dài tạo bởi kênh tĩnh trở kháng cao

Một khe phóng điện được hình thành do sự chênh lệch thế giữa

quả cầu và thanh Tác động này làm thiết bị giải phóng năng lượng

đã tích luỹ dưới dạng ion, tạo ra mộït đường dẫn tiên đạo về phía

trên chủ động dẫn sét

Hình 2.2

2.2.5 Nguyên lý xác định vùng bảo vệ :

Vùng bảo vệ được xây dựng từ một bán cầu phóng điện và một parabol giới hạn bán cầu

đó Tùy theo mức độ bảo vệ công trình, tương ứng với điện lượng hay cường độ sét, mà ta xác địnhđược vùng bảo vệ khác nhau

Kim thu sét Dynasphere được đặt trên công trình sao cho vùng bảo vệ của nó phủ khắpvùng thu sét của các điểm cạnh tranh của cấu trúc ( đỉnh nhọn nhô ra, góc nhọn, gờ mái, ) hay nóicách khác bán kính vùng bảo vệ Rbv của Dynasphere phải bao trùm bán kính vùng cạnh tranh Rctcủa các điểm cạnh tranh

Bán kính vùng bảo vệ tùy thuộc vào độ cao công trình, độ cao thanh đỡ và mức độ bảo vệ

Bảng 2.2 :

2.2.6 Kiểm tra đánh giá đầu thu:

Mục đích của cuộc thử nghiệm này kiểm tra tính hiệu quả của Dynasphere tích cựcvới thiết bị thụ động, đánh giá khả năng của nó khi cạnh tranh với cột Franklin và so sánhthời gian tạo ra đường dẫn tiên đạo so với kim thu sét thông thường

Với mục đích đó cả hai loại dẫn sét (tạo tia tiên đạo và thông thường) được đánh giá vàkiểm nghiệm trong cùng một điều kiện

a Thí nghiệm trong phòng:

Mô phỏng quá trình phóng điện sét trong tự nhiên ở phòng thí nghiệm là rất khó Các vấn

đề cụ thể được tóm tắt như sau:

- Điện trường có mặt khi có sét trong tự nhiên là 520KV/m trong phòng thí nghiệm trường500KV/m là cần thiết để mở đầu một sự phóng điện

- Các tia phóng lên dài 100  500m trước khi chặn một tia phóng xuống Trong phòng thínghiệm khoảng cách phóng chỉ có thể đạt được vài mét

- Trước khi có sự phóng điện tự nhiên xảy ra, tồn tại một điện trường gây ra corona trên tất cảcác phần hình học và góc nhọn Mô phỏng phòng thí nghiệm của hiệu ứng này là khó vì thiết bị tạo

ra trường có thể bị máy phát xung phá hủy

So sánh chất lượng của một đầu thu thí nghiệm với cột Franklin đối chứng Mây nhân tạo

là một lưới kim loại nằm ngang tiết diện 5 x 5m Nằm trên đầu thu thử nghiệm và cột Franklin đốichứng được nối đất và có cùng độ cao

Một máy phát phân cực DC được nối vào đám mây nhân tạo qua điện trở và mạng bảo vệ.Một máy phát xung cũng được nối vào đám mây nhân tạo

Dạng sóng xung được chọn tương đối chậm, có thời gian tăng 200 microgiây Dạng này gầngiống với độ tăng điện trường nhận được khi một điểm phóng tiếp cận đất Dạng sóng 1,2/50sthường được dùng biểu diễn dạng sóng quá điện áp khí quyển

Do khoảng cách phóng điện rất ngắn trong phòng thí nghiệm cần tạo xung gần với ngưỡngchọc thủng để tìm sự khác biệt giữa các đầu thu thử nghiệm và đối chứng

Thí nghiệm 1: 2 Dynasphere được đặt ở các vị trí thử nghiệm Mục đích của thử nghiệm làxem xét một Dynasphere tích cực có ưu điểm gì hơn một thiết bị thụ động Đảo ngược các thiết bịtích cực và thụ động mà không phải thay đổi bất kỳ thông số vật lý nào Kết quả lấy trung bình theocách loại bỏ các mâu thuẩn trong sơ đồ thử nghiệm vật lý

Trước khi thử nghiệm một chuỗi điện tích được tạo ra để đánh giá ngưỡng phóng điện Điện

áp nạp 65,7KV xấp xỉ một xung áp 1314KV, độ ẫm 70%, áp suất 1012mB, nhiệt độ 30o C

21

65

11

99

18 Quả cầu tích cực chứng tỏ hiệu quả gần gấp đôi quả cầu thụ động

Thí nghiệm 2:

Trong thí nghiệm này, Dynasphere được so sánh với chất lượng của một cột Franklin Các cộtFranklin được dùng là các thanh nhọn đầu lõi của Dynasphere để không có sự thay đổi hình học cộtFranklin khi quả cầu được gắn vào, chuổi phóng điện hướng vào 2 cột Franklin để xác định cái nào

Việc thêm quả cầu vào cột Franklin làm việc kém (B) cải thiện 40% hiệu quả của nó.

b Thí nghiệm ngoài tự nhiên:

Hai dạng thử nghiệm được coi là phù hợp cho đánh giá chất lượng đầu thu:

- Dạng thứ nhất bao gồm thử nghiệm thống kê lâu dài, bằng cách xen kẽ các đầu thu thửnghiệm và các cột Franklin theo dạng 1 cánh đồng anten.Mỗi vật dẫn xuống có thiết bị ghi sự phóngđiện và biên độ dòng đỉnh của chúng

- Dạng thứ 2: bao gồm thử nghiệm so sánh tốc độ cao Yếu tố quan trọng nhất trong đo lườnghiệu quả của một đầu thu là khả năng bắt đầu và lan truyền các dòng phóng lên của nó Bằng chứngchất lượng tương đối chỉ có thể đạt được bằng việc đo thời gian phát triển và dòng phóng lên so vớimột tiêu chuẩn đối chứng

- Vì sét xuất hiện ngẫu nhiên và thời gian để phóng lên vào cỡ microgiây Nhiệm vụ đo lườngthường là gặp khó khăn Hơn nữa nếu sự ngăn chặn (Tia phóng lên đón lấy tia phóng xuống) dòngsét trở về có thể có biên độ 100KA sẽ phá hủy thiết bị đo Tuy nhiên nhờ thiết bị chụp hình và quayvideo hiện đại mà không nhất thiết phải ghi nhận một cú sét đánh trực tiếp

- Vật đối chứng là cột Franklin được so sánh với một đầu thu thử nghiệm ở cùng chiều cao.Dây thu lôi được tiếp đất qua một điện trở, một dòng điện ghi nhận được tại chân tiếp đất và đượctruyền tới máy biến đổi điện A/D (Analoque / Digital)

- Nguồn điện từ xa đến máy A/D được cung cấp bởi pin mặt trời Dây cáp bằng sợi quang họcđược dùng để truyền tải thông tin đến một bộ số hóa cao tốc lưu trữ thông tin trong bộ nhớ 256KB.Sau đó thông tin biến đổi được truyền đến một máy tính IBM có đĩa cứng 30MB Chiều cao của cáccột là 6m và đặt cách 20m để đảm bảo không có nhiễu điện trường do tác dụng tương hổ

Kết quả sơ bộ cho thấy thời gian bắt đầu tia phóng lên của một cột Franklin sau quả cầu thửnghiệm là 50microgiây và dòng phóng lên của quả cầu lớn hơn 2 - 3 lần tại mọi thời điểm kể từ lúc

T = TSR - TDTSR: là thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của một kim thu sét thông thường

TD : là thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của đầu thu Dynasphere

- Độ dài của kênh dẫn về phía trên so với kim thu sét thông thường, đầu thu Dynasphere cóthể tạo ra đường dẫn tiên đạo sớm hơn một khoảng thời gian T và do đó tạo sớm một đường dẫn tiênđạo

L(m) = V (m/Ms) T(Ms)

D ∆L

Bảng 3.2: phân bố các đặc tính chính của sét đánh xuống đất:

kéo dài của sét

11 Suất năng lượng 10 2 3x10 2 10 3 5x10 3 3x10 4 10 5 5x10 5 A 2 s

Mục 3 trong bảng được dùng để xác định các mức bảo vệ, các cấp bảo vệ liên hệ trực tiếp vớidòng phóng I và điện tích tiên đạo Q tương ứng Một mối liên hệ thực nghiệm được cho:

I = 10,6.Q0,7

Với I đo bằng KA, Q đo bằng Coulombs

Một dòng sét có biên độ 6,5KA sẽ ứng với một điện tích tiên đạo xấp xỉ 0,5C

Tính toán và ngoại suy khác từ bảng 1, được mối quan hệ mức bảo vệ với biên độ dòng sétđiện tích tiên đạo như trình bày trong bảng 4.2

Bảng 4.2 : Quan hệ mức bảo vệ với biên độ dòng sét và điện tích tiên đạo sét

Điện tích tiên đạo(Q) Dòng tiên đạo(I) Khả năng xuất hiện Cấp bảo vệ

0,5C

0,9C

1,5C

6,5KA10KA16KA

98%

93%

85%

CaoTrung bìnhChuẩnNhư vậy từ bảng 4.2 có thể xác định mức bảo vệ theo các đặc tính thống kê về sét

Tùy thuộc vào tầm quan trọng của công trình xây dựng quyết định chọn mức bảo vệ thíchhợp trong thiết kế chống sét

2.2.9 Bán kính bảo vệ: (Bán kính vùng thu ):

Bán kính bảo vệ của Dynasphere theo các tham số

thống kê thay đổi theo từng dự án chống sét, cụ thể thay đổi

theo cấp bảo vệ, chiều cao của công trình , (trình bày trong

Bán kính thu hút sét (m) theo mức bảo vệ Rất cao Cao Chuẩn 98% 93% 85%

10 15 20 25 30 35 45 55 65 75 85 95 105

35 45 48 55 60 62 67 69 71 73 73 73 73

47 60 66 75 83 86 95 100 100 100 100 100 100

60 77 84 97 107 112 120 120 120 120 120 120 120

Hình 5.2

bề mặt qủa cầu

Ra aa

Ra h

đường đồng khả năng

vùng thu

2.3 Giá đỡ đầu dynasphere:

- Giá đỡ cĩ một ống hình trụ sợi thủy tinh cách điện cao tối thiểu 1,15m

- Ống phải cĩ bề dày thành tối thiểu 4mm và đường kính cho phép lắp vừa đầuthu và dây thulơi sẽ đi bên trong ống

- Giá đỡ phải siết chặt vào cấu trúc khác cĩ dây buộc nơi cần thiết để giữ cho đầu tiếp điệntrên khơng và hệ thống cột đứng vững với vận tốc giĩ tối đa trong vùng Sự lắp đặt giá đỡ đủ cứng đểđảm bảo độ lệch tối đa của đầu thu dưới điều kiện vận tốc giĩ cực mạnh sẽ khơng quá 100mm Sựlắp đặt giá đỡ phải cĩ tần số rung tự nhiên ban đầu với vận tốc giĩ ít nhất 2 lần vận tĩc giĩ thiết kếtối đa cho vùng

2.4 Dây Ericore:

Kỹ thuật gần đây nhất trong việc dẫn năng lượng sét xuống đất là dùng một dây dẫn xuốngbọc cách điện Dây Ericore được thiết kế với 2 màng chắn và một màng bọc dẫn điện bên ngồi ,vậtliệu khơng dẫn điện được chọn lọc kỹ đảm bảo sự cách điện dưới điều kiện xung điện cao

2.4.1 Cấu tạo dây Ericore:

Gồm một dây dẫn căng ở giữa bao bọc bằng lõi nhựa Lớp thứ 2 là một dây đồng xoắn

ốc, tiết diện hiệu dụng 50mm2 là lớp dẫn dịng chính, được cách điện sơ cấp bao bọc Băng bọc bằngbăng đồng bọc bên ngồi cách điện sơ cấp và nĩ được cách điện thứ cấp bao bọc Cách điện thứ cấpđược một lá kim loại bao bọc mà bên ngồi cĩ vỏ bọc dẫn điện Nếu bỏ phần ở giữa là lõi nhựa Kếtcấu giống như một vật dẫn trung thế

Đường kính ngồi của dây Ericore nhỏ hơn 40mm Điện áp

xung dạng sĩng 1,2/50µs giữa các lớp dẫn điện khơng nhỏ hơn 250KV

Lớp dẫn điện chính được nối trực tiếp với đầu của một đầu

tiếp điện trên khơng Trong 3m cuối tiếp đất dây thu lơi được đặt trong

ống bảo vệ PVC dày tối thiểu 3mm để tránh hư hại cơ và làm tăng độ an

tồn cho con người Dây thu lơi được lắp đặt theo sự chỉ dẫn của nhà

chế tạo, cĩ bán kính uốn cong cho phép khơng được nhỏ hơn 0,5m Dây

dẫn xuống được gắn chặt vào cơng trình xây dựng bằng các kẹp kim

loại, khoảng cách giữa các kẹp ít nhất là 2m

Hình 6.2

2.4.2 Đặc tính kỹ thuật:

Dây Ericore là một tiến bộ quan trọng trong kỹ thuật chống sét Cĩ ý kiến cho rằng vậtliệu cách điện cĩ thể khơng chịu được điện áp do phĩng điện sét áp đặt Tuy nhiên các thử nghiệmtương đối đơn giản cho thấy điện dung ghép giữa vật dẫn và kiến trúc làm cho vật dẫn bám theo điện

áp trên kiến trúc Điều này làm giảm hiệu điện thế và đặt áp nhỏ hơn vào vật cách điện Để hiểu hơngiá trị kỹ thuật của dây này cần ơn lại những vấn đề liên quan với dây dẫn sét thường, hình 6.2 chothấy sự tự cảm của một dây dẫn sét thường gây ra điện thế rất cao

E = IR + Ldi/dt Dịng điện sét : I = 30 KA

L =1,6 µ H/m

dt = 1 µ s Suy ra : E = 195 + 48000 = 48195V/m

Hình 7.2 : Aûnh hưởng của L với một dây dẫn sétGiá trị tự cảm 1,6H/m được xem là rất nhỏ Tuy nhiên khi dịng điện bị kích nĩ cĩ thểtăng lên với vận tốc 1010A/s, ảnh hưởng của sự tự cảm này trở nên quan trọng Ví dụ: Một dây dài60m sẽ tăng lên đến giá trị hơn một triệu Volt với một sự phĩng điện trung bình

Vì lý do thẩm mỹ, điều này dẫn đến việc dây dẫn sét cĩ những gĩc bẽ cong Sự tự cảmgia tăng do những gĩc bẻ cong làm tăng điện thế dẫn đến cắt điện hay sự phĩng điện biên như đượcchỉ trong hình 8.2 Tịa nhà luơn bị điện hĩa và ở đĩ tồn tại nguy cơ phĩng điện biên

Hình 8.2: Những nguy hiểm đối với dây thu lơi thơng thường

60 m dây đồng 35

mm 2

Một dây Ericore khắc phục được các hiểm họa trên và hơn nữa còn cho phép đi dây bêntrong tòa nhà Để hiểu được điều này xảy ra như thế nào cần so sánh hiệu ứng điện tạm thời của dâythu lôi thường và dây Ericore lúc phóng sét

Hình 9.2 :Cơ chế phóng điện biên của dây dẫn thườngHình 9.2 cho thấy điều kiện về điện trước khi sét đánh và trong khi truyền điện xuống đất.Khi dẫn dòng sét dây thu lôi đột nhiên bị kích thích với một điện cực trái dấu với mặt đất Điều nàygây nên điện trường mạnh giữa dây dẫn, hệ thống điện và tòa nhà, những cái này gây nên sự nẹt điệnbiên bên hông

Trường hợp dây dẫn Ericore được biểu thị trong hình 10.2 có thể thấy lớp vỏ ngoài hoạtđộng như một lá chắn cho những vật khác và sự nguy hiểm về nẹt điện hoàn toàn có thể bị loại bỏ.Nhờ lớp vỏ ngoài Ericore ta có thể đi dây bên trong công trình mà vẫn an toàn

Hình 10.2 :Dây Ericore cực tiểu hóa phóng điện biên

2.4.3 Ưu điểm của dây Ericore:

- Dẫn dòng xung sét xuống đất an toàn

- Chỉ cần một dây dẫn

- Lựa chọn được đường dẫn sét, đi ngầm bên trong công trình

- Kín đáo và thẩm mỹ

- Khả năng phóng điện biên được loại bỏ

- Không cần nối đặc biệt, trừ đối với thép xây dựng nối với tiếp địa chống sét

- Sự lắp đặt dây dẫn Ericore với hệ thống tiếp đất đơn có chi phí thấp hơn bất cứ hệthống chống sét nào của kỹ thuật cổ điển

2.5 Thiết bị đếm sét:

Thiết bị đếm sét là một máy ghi cơ học giám sát bằng điện tử nhằm ghi lại sự hoạt động chomỗi lần sét tại điểm đo Một cuộn dây Toroidal đặc biệt được lắp đặt đơn giản trên bộ phận tiếp đấtcủa dây Ericore, để cảm ứng với năng lượng sét và tác động mạch đếm

Thiết bị không cần pin, hệ thống tự cấp năng lượng, rắn chắc, không thấm nước và dễ lắp đặt Với chi phí vừa phải thiết bị cung cấp những thông tin thống kê có giá trị và như vậy chứngminh tính hiệu quả của hệ thống chống sét, thiết bị có thể lắp đặt cho các hệ thống chống sét khác

Thông số kỹ thuật:

- Dòng điện vận hành tối thiểu : 1.500A trên một xung điện 8/20s

- Nguồn điện : tự cấp

- Mạch điện : Mọi trạng thái ứng với bộ đếm cơ điện tử ghi nhận đến 9999 Không lặp lại

- Thành phần : Cuộn Toroidal được cuốn tròn Đường kính lỗ bên trong 45mm Bộ đếmđược lắp bên trong cuộn dây

- Phương pháp nối: Bộ phận đếm trượt trên dây thu lôi Ericore trước khi nối với cọc tiếp đất

Để tiện hơn bộ phận đếm có thể được đặt ngay trên

cọc tiếp đất

2.6 Tiếùp đất:

Lắp đặt sự tiếp đất là một yếu tố có thể thay đổi nhất trong việc cung cấp một hệthống chống sét Việc này căn cứ vào một dải rộng các loại đất, mỗi loại có tính chất điện học khácnhau Sự lựa chọn một kỹ thuật tiếp đất duy nhất tùy thuộc vào cả đất và kinh tế

Một sự cố gắn liền với sự truyền một dòng xung điện vào đất là nó gây ra sự tăng điện thế tạiđiểm sét đánh Điện thế giảm theo khoảng cách từ điểm sét đánh và tạo ra điện thế bước - nguy hiểmcho con người và thiết bị Điện thế cao của hệ thống tiếp đất cũng gây rủi ro phá đứt đường điệnthoại và điện

2.6.1.Hợp chất cải tạo đất

Với hợp chất tiếp đất LP1, nhiều khó khăn về sự lắp đặt tiếp đất có thể cải thiện đáng kể.Hợp chất bao gồm một dung dịch hóa chất có độ dẫn điện tốt - Khi được trộn với H2O và đổøbao quanh điện cực tiếp đất, trở nên một khối sệt - hình thành phần chính của hệ thống tiếp đất

Hợp chất tiếp đất LPI gồm hai gói 5Kg ,dung dịch đồng một gói và một hổn hợp nhiều hóachất để giúp tạo trạng thái keo với phần kia