Thiết kế chống sét đánh trực tiếp

CHƯƠNG VII THIẾT KẾ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP 7.1 Tổng quan Sét là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn. Quá trình phóng điện có thể xảy ra trong đám mây giông, giữa các đám mây với nhau và giữa đám mây với đất. Ở đây ta chỉ xét sự phóng điện giữa mây và đất. Hình 7.1 - Sự hình thành sét Các giai đoạn phóng điện sét.: + Giai đoạn phóng điện tiên đạo. + Tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt. – Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu. Các tác hại do sét đánh trực tiếp: Do năng lượng của một cú sét lớn nên sức phá hoại của nó rất lớn. Khi một công trình bị sét đánh trực tiếp có thể bị ảnh hưởng đến độ bền cơ khí, cơ học của các thiết bị trong công trình, nó có thể phá hủy công trình, gây cháy nổ .v.v..trong đó biên độ dòng sét ảnh hưởng vấn đề quá điện áp xung và ảnh hưởng đến độ bền cơ khí của các thiết bị trong công trình. Thời gian xung sét ảnh hưởng đến vấn đề quá điện áp xung trên các thiết bị. Thời gian tồn tại của xung sét thì ảnh hưởng đến độ bền cơ học của các thiết bị hay công trình bị sét đánh. Ngoài ra, khả năng cháy nổ cũng xảy ra rất cao đối với công trình bị sét đánh trực tiếp. 7.2 Đầu thu sét Prevectron (Thiết bị chống sét của hãng Indelec) 7.2.1 Cấu tạo Hình 7.2 - Đầu thu sét Prevectron của hãng Indelec Thiết bị chống sét tạo tia tiên đạo sớm (ESE) bao gồm : + Kim thu sét trung tâm bằng đồng điện phân hoặc thép không rỉ, kim này có tác dụng tạo một đường dẫn dòng sét liên tục từ tia tiên đạo và dẫn xuống đất theo dây dẫn sét. + Kim thu sét này được gắn trên trụ đỡ cao tối thiểu 2m. + Hộp bảo vệ bằng đồng hoặc thép không rỉ, có tác dụng bảo vệ thiết bị tạo ion bên trong. Hộp này gắn vào kim thu sét trung tâm. + Thiết bị tạo ion, giải phóng ion và tạo tia tiên đạo, đây là thiết bị có tính năng đặc biệc của ESE Prevectron. Nhờ thiết bị này mà ESE Prevectron có thể tạo ra một vùng bảo vệ rộng lớn với mức độ an toàn cao. Hệ thống điện cực phía trên: có tác dụng phát tia tiên đạo. Hệ thống các điện cực phía dưới: có tác dụng thu năng lượng điện trường khí quyển giúp cho thiết bị chống sét hoạt động. 7.2.2 Nguyên tắc hoạt động Trong trường hợp giông bão xảy ra, điện trường khí quyển gia tăng nhanh chóng khoảng vài ngàn ( V/m), đầu thu sét Prevectron sẽ thu năng lượng điện trường khí quyển bằng hệ thống các điện cực phía dưới. Năng lượng này được tích trữ trong thiết bị ion hóa. Trước khi xảy ra hiện tượng phóng điện sét ( mà ta thường gọi là “sét đánh”), có một sự gia tăng nhanh chóng và đột ngột của điện trường khí quyển, ảnh hưởng này tác động làm thiết bị ion hóa giải phóng năng lượng đã tích lũy dưới dạng ion, tạo ra một đường dẫn tiên đạo về phía trên, chủ động dẫn sét. 7.2.3 Phân loại Có 5 loại đầu thu sét Prevectron (được phân chia theo cấu tạo và thời gian phát triển sớm “DT” của tia tiên đạo), mỗi loại được chia ra làm hai nhóm khác nhau: + Nhóm cấu tạo bằng đồng: kim thu sét trung tâm và các điện cực được chế tạo bằng đồng đảm bảo thu và dẫn sét tốt. + Nhóm cấu tạo bằng thép không rỉ: kim thu sét trung tâm, các điện cực và hộp bảo vệ làm bằng thép không rỉ. Loại đầu thu sét này thích hợp với môi trường ăn mòn và nơi có nhiều bụi bặm. Bảng 7.1 Loại D T(ms ) P (kg) S6.60 60 4,2 S4.50 50 4,0 S3.40 40 3,8 TS3.40 40 2,5 TS2.25 25 2,3 7.2.4 Vùng bảo vệ : 7.2.4.1 Vùng bảo vệ Rp của ESE Prevectron Được tính theo công thức : Rp (m) = (với h5m) Bán kính bảo vệ Rp phụ thuộc vào các thông số sau : - Độ lợi về thời gian DT(ms) của từng loại ESE Prevectron ( bảng 7.1 ) - Độ lợi về đường đi : DL(m) = v(m/ms) * DT(ms) Với : v(m/ms) = 1 Hình 7.3 - D là cấp bảo vệ I,II hoặc III tùy theo yêu cầu của từng loại công trình + Cấp bảo vệ cao nhất ( cấpI) : D = 20m + Cấp bảo vệ trung bình ( cấp II ) : D = 45m + Cấp bảo vệ tiêu chuẩn ( cấp III ) : D = 60m Chiều cao thực của cột thu lôi tính từ mặt bằng phải bảo vệ là h. Từ đó ta có bảng bán kính bảo vệ cho từng loại đầu thu sét, đối với từng cấp bảo vệ. * Cấp I: D = 20m Bảng 7.2 h(m) 2 3 4 5 6 7 8 10 15 20 S6.60 31 47 63 79 79 79 79 79 80 80 S4.50 27 41 55 68 69 69 69 69 70 70 S3.40 23 35 46 58 58 58 59 59 60 60 TS3.40 23 35 46 58 58 58 59 59 60 60 TS2.25 17 25 34 42 43 43 43 44 45 45 * Cấp II : D = 45m Bảng 7.3 h(m) 2 3 4 5 6 7 8 10 15 20 S6.60 39 58 78 97 97 98 99 101 102 105 S4.50 34 52 69 86 87 87 88 90 92 95 S3.40 30 45 60 75 76 77 77 80 81 85 TS3.40 30 45 60 75 76 77 77 80 81 85 TS2.25 23 34 46 57 58 59 61 63 65 70 * Cấp III : D = 60m Bảng 7.4 h(m) 2 3 4 5 6 7 8 10 15 20 S6.60 43 64 85 107 107 108 109 113 119 120 S4.50 38 57 76 95 96 97 98 102 109 110 S3.40 33 50 67 84 84 85 87 92 99 100 TS3.40 33 50 67 84 84 85 87 92 99 100 TS2.25 26 39 52 65 66 67 69 75 84 85 7.2.4.2 Áp dụng tính toán chống sét cho nhà máy: Có hai loại bảo vệ : + Bảo vệ trọng điểm + Bảo vệ toàn bộ Ở đây ta áp dụng phương pháp bảo vệ toàn bộ cho nhà máy Chọn cấp bảo vệ là cấp I, D = 20 (m), bố trí cột thu sét chính giữa mái nhà với chiều cao hx1 = 4 (m) của cột, ứng với chiều dài 66 (m) của mái nhà, ta chọn loại ESE là “S6.60” có bán kính bảo vệ 63 (m). Hình 7.4 – Cách bố trí cột thu sét Với chiều cao hx2 = 7 (m) của cột, ta sẽ kiểm tra xem ESE có thể bảo vệ được những vị trí xa nhất đó là bốn góc nhà máy hay không Bán kính bảo vệ ứng với chiều cao h2 sẽ là: Rp = Với loại ESE là “S6.60” Tra bảng 7.1 ta được DT = 60 (ms) => DL = 60 (m) Vậy : Rp = = 78.936 (m) ØKết luận: Như vậy với loại ESE , chiều cao và cách bố trí của cột thu sét như trên là hợp lý vì vùng bảo vệ của nó phủ hết được công trình. Hình 7.5 – Bán kính bảo vệ của ESE 7.2.5 Các ưu điểm Bán kính bảo vệ rộng. Khả năng bảo vệ công trình ở mức cao. Tự động hoạt động hoàn toàn, không cần nguồn điện cung cấp, không cần bảo trì. Nối đất đơn giản nhưng tin cậy, hoạt động tin cậy, an toàn. 7.3 Dây dẫn sét Dây dẫn sét có nhiệm vụ dẫn dòng sét từ đầu thu sét xuống hệ thống nối đất. Dây dẫn sét nên đặt bên ngoài công trình, ngoại trừ các trường hợp đặc biệt .Dây dẫn sét của hãng Indelec có 3 dạng chính: dẹp, tròn hay cáp bện nhiều sợi. Dây dẹp : có kích thước từ 30 x 2 ¸ 30 x 3,5(mm) tùy thuộc vào loại dây như dây đồng mạ thiếc, dây nhôm, dây thép không rỉ hay thép mạ. Dây đồng trần điện phân mạ thiếc có tính chất dẫn tốt và thường dùng cho môi trường ăn mòn cao. Dây thép không rỉ dùng cho môi trường ăn mòn cao. Dây nhôm được dùng khi cần gắn lên bề mặt tường, vỏ bọc công trình bằng nhôm. Dây tròn: có đường kính từ 8 đến 10mm phụ thuộc vào loại dây dẫn như dây đồng đỏ, dây đồng mạ thiếc, dây thép không rỉ, thép mạ hay dây nhôm. Dây cáp: bằng đồng hay đồng mạ thiếc và đều được bọc cách điện. Tùy theo điều kiện công trình và môi trường mà các loại dây dẫn xuống được chọn. 7.4 Hệ thống nối đất Hình 7.6- Cọc nối đất chống sét của hãng Indelec 7.4.1 Yêu cầu: Mỗi dây dẫn sét phải sử dụng một hoặc nhiều điểm nối đất. Để tản nhanh dòng sét và giảm thiểu việc quá điện áp nguy hiểm trong vùng bảo vệ, hình dáng và kích thước của hệ thống nối đất cùng với giá trị điện trở nối đất phải phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn về nối đất cống sét. Hệ thống nối đất phải đạt được yêu cầu sau : + Hệ thống phải có điện trở nối đất xung kích nhỏ hơn hay bằng 10 (W) và phải đo trong trường hợp cách ly với các cấu trúc khác. + Tổng trở sóng và cảm kháng của hệ thống nối đất phải có giá trị thấp để giảm thiểu ảnh hưởng điện động, làm giảm ảnh hưởng gia tăng điện xảy ra trong khi có phóng điện, với yêu cầu này, hệ thống nối đất nên sử dụng bằng những cọc và thanh dài. 7.4.2 Tính toán hệ thống nối đất cho nhà máy : Với ρđất = 100 (Ωm), chọn hình thức nối đất gồm thanh với các cọc đóng thẳng đứng dọc theo thanh. Cọc dùng đồng thau, hình tròn d = 30(mm), cọc dài lcọc = 3 (m), khoảng cách giữa hai cọc a = 3 (m). Thanh dùng đồng thau, hình tròn có d = 30 (mm), dài lthanh = 12 (m), chôn sâu t0 = 0.8 (m), mỗi tia có n = 5 cọc. Hình 7.7 – Sơ đồ cọc nối đất chống sét Điện trở tản của một cọc: Rcọc = [6] = = 43.36 (Ω) Trong đó: ρtt = Kmùa * ρđất với Kmùa tra trong bảng [6, PL3] = 1.45 * 100 = 145 (Ω) t = t0 + = 0.8 + = 2.3 (m) Điện trở tản của một thanh : Rthanh = [6, PL3] = = 16.73 (Ω) Điện trở tản của thanh- cọc : Với : = = 1 và n = 5 Chọn ηcọc = 0.83 và ηcọc = 0.74 [6, PL4 và PL6] Rt-c= = = 7.41 (Ω) Điện trở nối đất xung kích :. Rnđxk = Rt-c * ηxk = 7.41 * 0.9 = 6.67 (Ω) Trong đó : ηxk = 0.9 tra bảng hệ số sử dụng ηxk [6, PL12] ØKết luận : Như vậy với hệ thống nối đất như trên điện trở xung kích đã đạt được yêu cầu Rndxk 10 (Ω)