A. CÁC HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT HIỆN NAY
2. Phương pháp thiết kế theo "thể tích tập hợp "
Một phương pháp tính toán khác với Franklin theo "quả cầu lản" và cũng là phương pháp hầu như đạt được các tiêu chuẩn quốc tế hiện nay, đó là phương pháp theo "thể tích tậphợp".
Hình 13.2. Dòng tiên đạo của sét từ trẽn • đi xuống đến gẩn điểm đất.
1. Dòng tiên đạo; 2. Đất
3. Khoảng cách đánh; 4. Bé mặt hình cầu Hình 13.1. Thiết kế bảo vệ chống sét
theo phương pháp “quả cầu lăn"
1. Vùng được bảo vệ 2. Quả cầu lăn
Phương pháp thiết kế này đặt cơ sở trên những thành tựu nghiên cứu của tiến sĩ A.J. Eriksson. Nó được trình bày chi tiết trong phần A8 của tiêu chuẩn NZS/AS 1768-1991.
Những thông số thiết kế được sử dụng ở phương pháp "thể tích tập hợp" bao gồm : chiều cao cấu tróc công trình, sự tăng cường trường của hình dáng và hình chiếu của cấu trúc, điện tích dòng tiên đạo, chiều cao địa điểm và vận tốc lan truyền tương đối của đòng sét đánh tiên đạo.
Hình 13.2 giới thiệu dòng tiên đạo đi xuống và đến gần một điểm trên mặt đất. Một bán cầu khoảng cách đánh dược thiết lập kể từ điểm này. Bán kính của nó phụ thuộc vào điện tích ở đầu dòng tiên đạo và tương ứng với khoảng cách mà ở đấy sự tăng cường trường điện sẽ vượt quá giá trị tới hạn.
Giá trị này đánh đâu sự tăng cường của trường điện đã trở lên khá đầy đủ để phóng một dòng đón bắt lên phía trên hướng về dòng tiên đạo.
342
Bán cầu khoảng cách đánh để lộ ra rằng những dòng điện tiên đạo của sét với điện tích điện yếu sẽ tiến đến gần sát điểm đất trước khi đạt được những điều kiện tới hạn để bắt đầu xuất phát phóng dòng đón bắt lên phía trên hướng về dòng tiên đạo.
Khi những điều kiện tới hạn đã đạt được, nếu mức độ điện tích càng lớn thì khoảng cách giữa dòng tiên đạo và điểm đất càng lớn.
Bán kính bán cầu có liên quan đến mức độ yêu cầu của bảo vệ.
Phương pháp thiết kế "theo thể tích tập hợp" đưa vào trong tính toán tốc độc tương đối của dòng hướng lên trên và dòng tiên đạo hướng xuống dưới.
Không phải tất cả những dòng tiên đạo đi đến một bán cầu khoảng cách đánh đều được đón bắt. Những dòng tiên đạo nào đi vào phía ngoài chu vi của các bán cầu đều có thể tiếp tục chuyển động của mình để đi xuông phía dưới hình 13.2) và đến gần sát điểm đất thì bắt gặp một dòng di chuyển khác đi lên phía trên. Do vậy, từ điểm này dẫn đến sự phát triển của một hình parabôn giới hạn. Nếu có một dòng tiên đạo của sét tiến dần xuô'ng phía dưới và đi thẳng vào thể tích tập hợp này thì sẽ đảm bảo chắc chắn được đón bắt (hình 13.3).
Thiết kế với phương pháp "thổ tích tập hợp" sử dụng một cách thống kê các thông sô' đúc kết được thông qua sự kiện sét đánh như ở bảng 13.1.
Bảng13.1.
Điện tích dòng tiên đạo Qtiên đạo
Dòng điện đỉnh Iđính
Giá trị vượt quá tính theo
phần trăm
Mức độ bảo vệ
0,5C 6,5KA 98% Cao
0,9C 10KA 93% Trung bình
1,5C 16KA 85% Theo tiêu chuẩn
Bảng 13.1 cung cấp cho người thiết kế con số phân tích các trường hợp rủi ro nhất. Các mức độ của thể tích tập hợp đã được xác định tùy thuộc vào giá trị của dòng điện đỉnh Iđỉnh. Thật vậy nếu người thiết kế mong muôn ở mức cao của bảo vệ (dòng điện đỉnh Iđĩnh = 6,5KA) thì 98% của toàn bộ sự kiện sét đánh vượt quá giá trị này. Sự phóng điện của dòng sét ở cường độ cao hơn sẽ có'những thể tích tập hợp rộng lớn hơn và nó sẽ tạo thành sự 343
phủ chông lớn hơn trong khu vực đón băt của những đầu thu nằm trong không trung.
Thiết kế mà hiệu quả đạt được 98% (mức độ bảo vệ cao) không có nghĩa là tâ't cả sét đánh có dòng điện đỉnh nhỏ hơn giá trị này sẽ trượt khỏi đầu thu đón bắt sét.
Chúng ta cũng có thể dễ dàng hiểu rằng do sự ngẫu nhiêu của thống kê, thì một sô' lần sét có thể không được đón bắt do vì dòng tiên đạo hướng lên phía trên và bị loại trừ ra khỏi phạm vi của thể tích tập hợp.
Hiện nay có một số đầu thu đã được chế tạo rất thành đạt. Những đầu thu này chứng tỏ có khả năng để tạo nên "thể tích tập hợp" rất rộng lớn và hơn hẳn cả những thu lôi kiểu tập quán Franklin.
Hình 13.3. "Thể tích tập hợp được tạo bởi quỹ tích xác xuất bằng nhau (khối parabôn) và diện tích
mặt cầu : 1. Quỹ tích xác xuất bằng nhau 2. Bề mặt hình cầu
3. Dòng tiên dao 4. Thể tích tập hợp 5. Khoảng cách đánh.
Một hoặc nhiều đầu thu kiểu đón bắt sét như vậy đã được đặt phía trên cấu trúc để các "thể tích tập hợp" của chúng phủ chồng lên trên những thể tích bé nhỏ tự nhiên của hình thể cấu trúc.
Phương pháp này rõ ràng hấp dẫn hơn và râ't thuận lợi cho việc áp dụng để thiết kế bảo vệ chống sét.
Hình 13.4. Giới thiệu khái niệm về thể tích tập hợp khi ứng dụng vào cấu trúc.
* So sánh'phương pháp tính toán thiết kế theo thể tích tập hợp với tính toán thiết kế theo quả cẩu lăn
-Pp quả cầu lăn :
+ Việc lắp đặt tốn kém hơn + Áp dụng khó khăn hơn
344
+ Yêu cầu người kỹ sư đã được đào tạo thực hiện công việc thiết kế + Tốn nhiều thời gian trong công tác thiết kế
+ Có những tiêu tốn không cần thiết khác.'
+ Yêu cầu bảo trì liên tục và thực hiện công việc bảo trì trong phạm vi rộng hơn.
- Pp thể tíchtập hợp : + Tiết kiệm trong lắp đặt + Dễ dàng trong áp dụng
+ Khách hàng có thể tự thực hiện được việc thiết kế + Đỡ tôn thời gian trong tính toán và thiết kế
+ Do vì khả năng của đầu thu đón bắt mới đã tạo nên "thể tích tập hợp" rộng lớn hơn so với đầu thu thông thường của cột thu lôi kiểu Franklin nên chỉ cần một đầu thu đón bắt là đảm bảo yêu cầu bảo vệ đối với những cấu trúc rộng hơn.
+ Thiết kế được dựa trên nền kỹ thuật tiên tiến nhất.
Hình 13.4. Khái niệm về thiết kế theo phương pháp thể tích tập hợp.
1. Khoảng cách đánh đối với điện tích dòng tiên dạo 0,5C 2. Khoảng cách đánh đối với điện tích dòng tiên đạo 0,9C 3. Khoảng cách đánh đối với điện tích dòng tiên đạo Q = 1,5C 4. Quỹ tích xác xuất bằng nhau (khối parabôn)
345
13.2.3. CỤ THỂ KẾ HOẠCH THựC HIỆN 6 ĐIỂM
Bảng 13.2 Giới thiệu các phần cơ bản của kế hoạch bảo vệ chống sét đánh 6 điểm. Kinh nghiệm cho thấy người kỹ sư thiết kế phải nghiên cứu nội dung 6 điểm này để hoàn tất công việc bảo vệ toàn bộ.
Bảng13.2.
1. Đón bắt sét đánh trên những đầu thu sét đặt trong không trung tại những vị trí mong muôn.
2. Dẫn dòng điện sét đi xuống đất một cách an toàn nhờ dây dẫn được thiết kế đặc biệt để đưa xuống đất mà không bị nguy hiểm do sự quá đốt nóng.
3. Tiên tán năng lượng sét vào trong đất với sự tăng lên ít nhất về điện thế trong đâ't.
H 4. Loại trừ các vòng mạch (lưới) nằm trong đất và sự chênh lệch điện thế đất bằng cách tạo nên một tổng trở thấp, hệ thống nối đất đẳng thế.
5. Bảo vệ trang thiết bị được nối đến các đường dây điện lực khỏi bị ảnh hưởng tăng vọt và quá trình quá độ, đề phòng hư hỏng trang thiết bị và đình trệ sản xuất.
6. Bảo vệ các mạch điện thoại, mạch dữ liệu và mạch tín hiệu đưa đến khỏi bị ảnh hưởng tăng vọt và quá trình quá độ, đề phong hư hỏng thiết bị và ngừng phục vụ.
346
Sau đây chúng tôi xin giới thiệu từng điếm trong kê hoạch 6 điểm này.
Điểm 1 : Đón bắt sét đánh trên những đầu thu sét đặt trong không trung
Vai trò của đầu thu trong không trung là khi có dấu hiệu sét đánh thì nó sẽ phóng một dòng dẫn đưa lên phía trên để đón bắt sét một cách hiệu quả.
Khả năng của cột thu lôi kiểu Franklin là tập trung trường điện và tạo thành dạng quãng điện trường mà
chúng ta đã biết. Quầng này chỉ quan sát được ở vùng lân cận đỉnh thu lôi và nó sẽ được giảm nhanh chóng theo khoảng cách. Hiệu quả của điện tích không gian như đã trình bày ở hình 13.5. Ở đây, thể hiện trường điện được quan sát ở đầu thu lôi được nối đất trong lúc dòng tiên đạo đến gần. Khi dòng tiên đạo đến gần, điện tích cảm ứng được tăng lên và ta có thể quan sát ở hình vẽ (ở đầu thu của cột thu lôi).
Cuối cùng dòng tiên đạo có thể đi đến gần hơn nữa và đạt đến mức độ' là có thể phát động dòng đón bắt từ phía đầu thu lôi và hướng dòng này lên phía trên.
Để đáp ứng với tiến bộ kỹ thuật mới và sự đòi hỏi của thị trường, loại không theo tập quán Franklin hay loại tăng cường với đầu thu đón bắt đặt trong không trung đã được nghiên cứu và phát triển áp dụng. Một trong những loại này là quả cầu thu đón bắt sét đặt trong không trung kiểu Dyna. Đây là một khái niệm tương đôi mới và có tác dụng làm giảm bớt sự biến dạng của trường điện và quầng kết quả.
Hình 13.5. Hiệu quả điện tích không gian đối với cột thu lôi dạng tập quán Franklin
1. Dòng tiên đạo tiếp xúc đi xuống dưới cho đến khi dòng từ dưới hướng lên trên được xuất phát;
2. Sự tiến gần từ trên xuống.
3. Sự tiến gần chếch cạnh.
347
Sự việc nghiên cứu rộng rãi và thử nghiệm "đầu thu đón. bắt này" đã được thực hiện ở úc, Indonésia và ở Mỹ. Các thử nghiệm này đã được tiến hành ở các phòng điện áp cao, ở đấy xung sét đã được tạo ra trong những điều kiện khí quyển giông như điều kiện thực tế tự nhiên để nhằm mục đích phân tích so sánh đầu thu với những dạng mẫu của loại không theo tập quán và loại theo tập quán (dạng cũ).
Việc thử nghiệm tiến hành ở trong môi trường điện từ các nước này và đầu thu đón bắt sét cũng đã được phân tích dưới những điều kiện dông bão thực tế cùng với việc sử dụng những trang thiết bị ghi có bộ sô' hóa tô'c độ cao để ghi sự phát xuất của dòng đón bắt hướng lên phía trên. Những kết quả đều cho thấy rằng sự phát xuất của dòng đón bắt hướng lên trên của đầu thu là sớm hơn (về thời gian) và biên độ cũng lớn hơn biên độ của đầu thu kiểu tập quán Franklin. Gần đây nhất, hàng loạt những thử nghiệm trường điện được thực hiện ở Trung tâm không gian John. F.
Kennedy, Florida cùng với đội nghiên cứu NASA.
Sự nghiên cứu của trường điện loại này đã thực hiện và vẫn đang tiếp tục tiến hành với những trang thiết bị thử nghiệm của nhiều nước khác nhau trong những khoảng thời gian mùa mưa bão tương ứng của những nước này. Qua thí nghiệm cùa hàng trăm trang thiết bị chống sét với những đầu thu đón bắt loại này ở một sô' nơi trên thê' giới, ở khu vực nhiều sét nhất cũng đã chứng tỏ thành quả đạt được rất cao của loại đầu thu đón bắt kiểu quả cầu Dyna hoặc kiểu hình trụ "Interceptor" này (hình 13.6).
Hình 13.6 giới thiệu hệ thống bảo vệ chống sét với đầu thu đón bắt kiểu quả cầu Dyna đặt trong không trung theo kỹ thuật mới.
Khi người kỹ sư thiết kê' hệ thô'ng bảo vệ theo phương pháp "Thể tích tập hợp" thì bản thiết kê' sẽ đạt kết quả rất khả quan. Bản thiết kế cho phép đầu thu đón bắt này được đặt ở vị trí nào đó thật mỹ quan nhất và cũng được hài lòng nhất vì phạm vi bảo vệ của nó khá rộng. Thông thường và đại đa sô' các trường hợp vị trí đặt sẽ là ở trung tâm các tòa nhà trên phần nhô cao lên của câ'u trúc. Trên những cấu trúc hoặc công trình rất rộng lớn thì người thiết kê' có thể đặt vài đầu thu đón bắt kiểu này.
* ưu điểm của các đầu thu đón bắt đặt trong không trung theo kỹ thuật niớiso sánh với những đầu thu theo tập quánkiểu Franklin.
- Đầu thu theo tập quán Franklin :
+ Đặt cơ sở trên những thiết kê' từ năm 1752.
348
+ Mỗi một cột yêu cầu khoảng cách trung bình 5 -ỉ- 15m.
+ Hình dáng bên ngoài không hấp dẫn.
+ Khó khăn và tốn nhiều thời gian để đặt trang thiết bị.
+ ít tin tưởng trong vận hành.
+ Mức độ hiệu quả không rõ rệt.
+ Khá đắt tiền do trang thiết bị tiêu tốn khá cao.
- Đầu thu đón bắt sét theo kỹ thuật mới : + Đặt cơ sở trên kỹ thuật mới nhất.
+ Thông thường chỉ cần có một đầu thu đón bắt.
+ Hình dáng dễ chấp rthận, không dễ nhận thấy vẻ bên ngoài.
+ Dễ đặt trên công trình.
+ Dễ dàng trong công tác duy trì bảo quản.
+ Hiệu quả hơn và tin tưởng trong vận hành.
+ Thành tựu đạt được thể hiện rõ ràng.
+ Rẻ tiền hơn vì thông thường chỉ cần có một đầu thu đã thỏa mãn.
1 2.
Hình 13.6. Hình dạng hai đầu thu đón bắt sét kiểu quả cầu Dyna(1) và kiểu hình trụ Interceptor (2).
349
Hình 13.7. Chống sét dùng quả cẩu Dyna đặt trong không trung.
1. Dòng tiên đạo của sét đi xuống;
3. Quả cáu đón bắt sét Dyna;
5. Đường dây đưa xuống (3 trục);
7. Vòng giữ;
2. Dòng đón bắt hướng lên trên;
4. Cột đ3 quả cầu dài 1,15m;
6. Máy đếm sự kiện sét đánh;
8. Cột kim loại phía dưới.
Hình 13.8 giới thiệu ba hình vẽ sử dụng theo phương pháp chống sét kiểu dùng cột thu lôi Franklin (hình a); kiểu dưới dây chống sét hay gọi là kiểu lồng Faraday (hình b); và kiểu dùng quả cầu Dyna áp dụng thành tựu nghiên cứu mới (hình c).
Hình 13.8a : Dùng cột thu lôi theo kiểu tập quán cũ
Franktin
Hình13.8b. Dùng kiểu dây chống sét (lồng
(Faraday) kiểu cũ
Hình 13.8c. Dùng quả cầu đón bắt sét, kiểu Dyna
350
Điểm 2 : Truyền dẫn dòng diện sét đi xuống đấtmột cách đảm bảo
a) Đườngdây dẫn dòng điện sét xuống hệ thống nối đất dược chechở vàbảo vệ.
Kỹ thuật gần đây nhất của sự truyền dẫn năng lượng sét xuống đất là dùng một dây dẫn đưa xuông và dây dẫn này được bảo vệ cách ly. Trong trường hợp này, dây đẫn đưa xuông rõ ràng là hai vành đồng hình vành khăn, hay còn gọi là vành đồng kép. Đường dây đưa xuống loại mới này có tính dẻo và được bọc bằng nhiều lớp ngăn cách điện như hình 13.9, do đó làm cho dòng điện sét được ngăn cách khỏi khu vực bị ảnh hưởng mạnh (hình 13.10).
4.
Hình 13.9. Dây dẫn đưa dòng điện sét xuống đất gồm nhiều lớp, trong đó có phần dẫn chính là
vành đồng tiết diện 50mm2 và có màn chắn bằng băng đồng.
1. Vật liệu chất dẻo để tàng đường kính hiệu quả của dây dẫn chính (cảm ứng, hiệu quả mặt ngoài).
2. Lớp vành dần chính (đổng tiết diện 50mm ).2 3. Lởp kiểm tra ứng suất bán dẫn.
4. Lớp ngăn cách điện áp cao polyethylene.
5. Lớp kiểm tra ứng suất bán dẫn điện.
6. Dải màn chắn bằng băng đồng chính.
7. Lđp bọc bằng chất dẻo.
8. Kim loại để giữ và định vị dây dẫn đưa dòng điện sét xuống đất.
351
- Một số người có thể có cảm giác rằng những đường đây cáp như vậy là đáng ngờ và không thể tin được vì vật liệu cách điện bô' trí như hình vẽ 13.9 có thể không chịu đựng nổi điện áp cao do phóng điện của sét. Thế nhưng qua thử nghiệm chỉ cho thấy rằng việc kết hợp khả năng giữa cấu trúc của các lớp bọc với dây đồng dẫn dòng diện sét là nguyên nhân tạo điều kiện di chuyển trên bề mặt dây dẫn đồng một cách dễ dàng và cũng tạo điều kiện làm giảm sự chênh lệch điện áp.
Hình 13.10. Dòng điện sét chạy trong dây dẫn.
a) Dòng điện sét chạy khắp công trình;
b) Lộ trình đi xuống đất của dòng sét được bảo vệ do dây 3 trục.
Dây đẫn dòng điện sét đi xuống đất loại có bảo vệ này gồm có một dây dẫn chính bằng đồng có tiết diện 50mm2 (vành đồng chính lớp thứ hai kể từ trong ra). Ưu điểm về phương diện mỹ quan, ta thấy rõ rệt. Trong tuyệt đại đa số các trường hợp, ta chỉ cần có một dây dẫn đưa xuống và nó được bọc lớp ngăn cách điện để nó không làm ảnh hưởng phiền phức do chạm phải như dây đồng trần như đã dùng cho thu lôi kiểu tập quán Franklin.
352
Loại dây bọc này cũng có thể được dấu kín khi đặt ở bên trong tường.
Những ưu điểm tương đối của một dây dẫn đưa dòng điện sét xuống được bảo vệ so với dây dẫn đưa xuống loại thông thường như sau :
- Dây dẫn đưaxuốngthông thường:
+ Mỗi một dây dẫn yêu cầu thông thường quá 30m, và thường dùng nhiều dây (hình 13.8b).
+ Lộ trình dòng điện sét chạy bên trong dây có thể ảnh hưởng hư hỏng cấu trúc.
+ Xác xuất của những sự tăng vọt do cảm ứng của những thiết bị có độ nhạy là cao hơn.
+ Một số băng đồng trần hay dây đồng trần dẫn sét đặt ở bên ngoài cấu trúc có thể làm xấu mất vẻ thấm mỹ của công trình.
+ Yêu cầu có những chi tiết nối ghép bằng kim loại đối với dây dẫn đưa xuống.
+ Tốn kém vì dùng nhiều dây dẫn đưa xuống.
- Loạidâydẫn bọc ba trục (triaxial conductor) (hình13.9) + Thông thường chỉ cần có một dây.
+ Lộ trinh dong điện sét chạy bên trong không làm ánh hưởng hư hỏng cấu trúc.
+ Xác xuất cúa sự lóe sáng cạnh háu như được loại trư + Làm hài lòng về mỹ quan
+ Không yêu cầu nhưng chi tiét nối ghép đặc biệt.
+ Thông thường rẻ ti' n hơn VI chi cẩn có một dây dần đưa xuông.
Điểm 3. Hệ thống nối đất có điện trở thấp làm tiêu tán năng lượng sét vào trong đất dễ dàng.
Những vật liệu dùng cho hệ thông nôi đất có điện trở thấp là phần rất quan trọng Làm cho hệ thống báo vệ chống sét có hiệu quả. Nếu hệ thông nồi đất có điện trớ càng thâp là tạo dề dàng cho sự tiêu tán năng lượng của sét vào trong khói đât càng nhanh
Theo tiêu chuẩn của úc (mục 4.12.2 về những yêu cầu chi tiết nôi đất) thì mức điện irờ tôi đa cho phép là 10Q đôi với hệ thông nôi đất chông sét.
Điều này có thể đạt được trước tiên là nhờ sự liên kêt cùa hệ thông nòi đất ■ 353