Xác định bán kính bảo vệ kim thu sét phát tia tiên đạo sớm

Tải tài liệu PDF tại đây

1.     Căn cứ, luận chứng

• TCVN 9385:2012 (BS 6651:1999) về chống sét cho công trình xây dựng - Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống
• TCN 68-174:1998 về quy phạm chống sét và tiếp đất cho các công trình viễn thông ban hành bởi Tổng cục Bưu điện
• TCVN 46 1984: Chống sét cho các công trình xây dựng - Tiêu chuẩn thiết kế - thi công
• NF C 17-102 Protection against lightning

2.     Tổng quan về kim thu sét phát tia tiên đạo sớm

2.1.      Lịch sử phát triển

• Hệ thống chống sét đánh trực tiếp, về tổng quan có 3 phương pháp chính (hoặc được xây dựng dựa trên việc kết hợp từ 3 phương pháp chính) như sau:
• Chống sét sử dụng lồng Faraday
• Chống sét sử dụng kim thu sét cổ điển
• Chống sét sử dụng kim thu sét tia tiên đạo.
• Kim thu sét hay còn gọi là cột thu lôi được phát minh năm 1752 bởi nhà khoa học Benjamin Franklin. Ông đã tìm ra mối liên hệ giữa sét và dòng điện sau khi nhiều lần quan sát hiện tượng sét đánh. Franklin cho rằng năng lượng sét tương đương với năng lượng của dòng điện có cường độ cực lớn. Chính vì vậy ý tưởng nảy ra là dùng những vật liệu dẫn điện để dẫn sét một cách chủ động theo ý mong muốn. Kim thu sét cổ điển ra đời là một thanh kim loại nhọn đặt trên đỉnh công trình. Sét sẽ thiên hướng đánh vào những điểm ở trên cao và dẫn điện. Sau đó thì kim thu sét được dẫn xuống đất thông qua vật liệu dẫn điện.
• Ngày nay kim thu sét được sử dụng cho các công trình là 1 loại kim thu sét được cải tiến từ dòng kim cổ điển nói trên. Dòng kim này xuất hiện đầu tiên trong khoảng thời gian 1930. Theo như các nhà khoa học, vùng bảo vệ kim thu sẽ tăng lên đáng kể nếu như nó có bộ phận ion hóa. Ban đầu bộ phận này được tạo ra bằng lượng nhỏ phóng xạ. Đó là những chất đồng vị Radium 226 hoặc Americium 241. Sau này, bộ phận này được thay thế bằng các thiết bị điện và điện tử. Khi đám mây mang điện tích xuất hiện, bộ phận phát ion trong kim sẽ tích tụ ion lên đầu kim. Khi gặp điện tích trái dấu từ đám mây sét, nó sẽ phát ra tia tiên đạo đi lên và thu lấy tia sét đi xuống.
• Kim thu sét ESE hay Early Streamer Emmision hay kim thu sét phát tia tiên đạo sớm. Đây là dòng cột thu lôi hiện đại áp dụng công nghệ cao có khả năng đón bắt tia sét nhằm định hướng và triệt tiêu năng lượng của dòng sét. Khác với các dòng kim thu khác, kim thu ESE chủ động và hoạt động chính xác hơn nhiều.
• Giữa những năm 1982, lý thuyết về quả cầu lăn được IEEE – HIệp hội kỹ sư điện công nhận. Ngay lập tức, nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm đưa ra giải pháp chống sét bằng tia tiên đạo. Tới những năm 1995, trải qua nhiều cuộc thí nghiệm, Pháp chính thức ban hành tiêu chuẩn NFC 17 -102 để công nhận hiệu quả của kim thu sét ESE. Từ đây mở ra một bước tiến mới trong quy trình thi công chống sét. Tuy nhiên, kim thu này gần đây mới phổ biến tại Việt Nam. Tiêu chuẩn NFC 17 -102 dần trở thành tiêu chuẩn quốc gia ở Pháp. Không chỉ vậy, nhiều nước châu Âu cũng lựa chọn tiêu chuẩn này để đánh giá kim ESE.

2.2.      Nguyên lý hoạt động

• Hiện tượng sét được hình thành khi hiệu điện thế giữa mặt đất và đám mây lớn. Tia sét thường đánh xuống những tòa nhà cao tầng, nơi chứa nhiều từ trường hoặc mũi nhọn kim loại. Chính những lúc đó, kim thu lôi phát huy được chức năng của nó.
• Những lúc giông bão, đầu mũi kim sẽ xuất hiện một vùng từ trường có bán kính rộng. Khi tia sét đánh vào vùng từ trường này, kim thu sét tia tiên đạo sớm sẽ phóng ra một nguồn năng lượng, tia sét di chuyển theo năng lượng này vào mũi kim, bảo vệ an toàn cho con người và tài sản.
• Kim thu sét tiên đạo sớm hoạt động dựa trên nguyên lý thu hút sự phóng điện của sét, tạo ra một đường dẫn an toàn cho sét truyền xuống đất mà không gây hại cho công trình và người bên trong. Cụ thể, kim thu sét tiên đạo sớm hoạt động theo các giai đoạn sau:
• Khi có đám mây dông hình thành, các hạt băng và mưa đá va chạm với nhau tạo ra các hạt mang điện tích dương và âm.
• Các hạt mang điện tích dương sẽ tích tụ ở phần trên của đám mây trong khi các hạt mang điện tích âm sẽ tích tụ ở phần dưới của đám mây.
• Sự tích tụ điện tích dương và âm trong đám mây tạo ra một sự chênh lệch điện thế rất lớn.
• Khi sự chênh lệch điện thế đạt đến một ngưỡng nhất định, sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện từ đám mây xuống đất.
• Kim thu sét tiên đạo được lắp đặt trên đỉnh của công trình sẽ tạo ra một điện trường cục bộ rất mạnh.
• Điện trường cục bộ này sẽ làm ion hóa không khí xung quanh kim thu sét, tạo ra một đường dẫn an toàn cho sét truyền xuống đất.
• Từ nguyên lý hoạt động trên, ta có thể thấy rằng kim thu sét tiên đạo sớm không phải là thiết bị để ngăn chặn sét đánh, mà là để tạo ra một đường dẫn an toàn cho sét truyền xuống đất. Điều này giúp giảm thiểu nguy cơ bị sét đánh và bảo vệ các công trình xây dựng.

2.3.      Cấu tạo và đặc điểm

• Kim thu sét tiên đạo bao gồm các thành phần chính như sau:
• Thân kim thu sét: Là phần chính của kim thu sét, được làm từ các vật liệu chịu lực và chịu nhiệt cao như thép không gỉ, nhôm hoặc đồng.
• Đầu kim thu sét: Là phần có hình dạng nhọn, giúp tăng khả năng thu hút sét của kim thu sét.
• Dây dẫn: Là phần dẫn điện được kết nối từ đầu kim thu sét đến hệ thống đất.
• Hệ thống đất: Là một hệ thống đất riêng biệt, được kết nối với kim thu sét để đảm bảo sự dẫn điện tốt nhất khi sét đánh vào kim thu sét.
• Bộ chuyển đổi: Là phần điều chỉnh áp suất và điện áp trong hệ thống kim thu sét, giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động của kim thu sét.
• Một số đặc điểm nổi bật của kim thu sét tiên đạo sớm như sau:
• Khả năng chịu tải cao: Kim thu sét tiên đạo có khả năng chịu tải lên đến hàng trăm kA, giúp bảo vệ các công trình xây dựng khỏi nguy cơ bị sét đánh.
• Độ bền cao: Với việc sử dụng các vật liệu chịu lực và chịu nhiệt cao, kim thu sét tiên đạo sớm có độ bền cao và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.
• Tuổi thọ lâu dài: Với việc sử dụng các vật liệu chịu lực và chịu nhiệt cao, kim thu sét tiên đạo sớm có tuổi thọ lâu dài và ít bị hư hỏng trong quá trình sử dụng.
• Dễ lắp đặt và bảo trì: Kim thu sét tiên đạo sớm có thiết kế đơn giản và dễ lắp đặt, đồng thời cũng dễ bảo trì trong quá trình sử dụng.

2.4.      Phân loại

• Kim thu sét tiên đạo phóng tia ion (kim thu sét tiên đạo sớm)
• Sản phẩm gồm bộ phận có chức năng cản sét được tích hợp trong thân kim. Bộ phận này sẽ phát ion, giúp tăng điện tích lên đầu kim. Kim thu sét tia tiên đạo sớm chủ động đón tia sét và dẫn dòng điện xuống đất. Thiết bị được làm từ thép không gỉ, dễ lắp đặt, độ bền cao đồng thời có bề mặt sáng bóng, đảm bảo tính thẩm mỹ cho công trình. Những công trình, nhà máy, xí nghiệp lớn thường lắp đặt loại kim thu sét này để đảm bảo an toàn về người và tài sản.
• Kim thu sét tia tiên đạo tạo xung cao áp
• Dòng kim này có cấu tạo đơn giản hơn tia tiên đạo phóng ion, nhưng không vì thế mà các sản phẩm tạo ra lại kém chất lượng. Kim thu tạo xung cao áp được hình thành dựa trên sự khác biệt giữa chất liệu và cấu tạo của trục thu, qua đó tạo ra từ trường. Nhờ vậy mà kim thu sét tiên đạo có cấu tạo khoa học, chắc chắn.

2.5.      Công nghệ phát xạ sớm

2.5.1.      Công nghệ Di-Electrical

• Công nghệ “Di-electrical”: được công bố đầu tiên tại Tây Ban Nha nhằm thay thế loại kim thu sét sử dụng tia phóng xạ đã bị cấm vào giữa những năm 80, công nghệ này là loại đơn giản nhất và vì thế nó là loại dễ dàng được chấp nhận nhất, nó được tạo thành từ một cọc nối đất và những phần bằng kim loại được cách điện gắn xung quanh.
• Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự khác nhau về điện thế giữa những phần kim loại này. Trong điều kiện trời quang mây tạnh thì không có chênh lệch về điện thế, nếu có sấm chớp thì hiệu điện thế tăng khi điện trường tăng. Dựa vào khoảng cách giữa phần bị phân cực và phần nối đất mà tia hồ quang điện xuất hiện và ion hóa thiết bị này, làm phát ra tia tiên đạo. Chính vì đây là công nghệ “rẻ tiền” nhất mà nó cũng trở thành công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất với vô số hình dạng, tròn hãng Dynashere, hình Ovan hãng LPI, thanh kim loại đơn hãng Ingesco, Ioniflash…
• Nhược điểm của công nghệ này:
• Giá trị ngắt dòng (giá trị quyết định sự phát tia hồ quang điện giữa những phần kim loại) phụ thuộc vào điều kiện môi trường (độ ẩm, nước mưa đọng…) môi trường không khí đôi khi dẫn điện tốt, đôi khi dẫn điện kém nên thời điểm phát tia sẽ giao động, không kiểm soát được chính xác thời điểm nào sẽ phát tia hồ quang điện… và hệ quả là thời điểm phát tia tiên đạo cũng không được kiểm soát tốt.
• Với công nghệ này, không có bất kì tụ điện hay thiết bị lưu trữ nào: ngay khi các bộ phận bị phân cực, nó sẽ kích hoạt tia điện mặc dù tia sét đánh xuống có thể vẫn còn đang ở xa hoặc thậm chí chưa xuất hiện.

2.5.2.      Công nghệ sử dụng xung điện cao thế (Spark Gap)

• Công nghệ xung điện cao thế: được phát minh bởi công ty HELITA vào năm 1985, nó được tạo ra bởi một trụ cách điện đóng vai trò vừa là điện cực nổi bên trên (không nối đất) để nạp điện cho thiết bị, vừa là đầu thu để kích hoạt tia tiên đạo nhằm bắt nối với tia sét đánh xuống.
• Nhược điểm của công nghệ này.
• Phần trên của kim thu sét không được tiếp đất nên dòng điện từ tia sét phải đi xuống đất thông qua một khoảng phát tia lửa (Spark Gap). Điều này không phù hợp với yêu cầu cơ bản trong hoạt động dẫn điện của hệ thống chống sét, và nó thực sự không đáng tin cậy.
• Hệ thống thiết bị không chứa “bộ phận kiểm soát thời điểm kích hoạt” cho nên bất cứ khi nào tụ điện nạp đầy là hệ thống sẽ giải phóng xung điện cao thế nhằm để kích hoạt tia tiên đạo, chứ không phải là khi có sự thay đổi của điện trường xung quanh.

2.5.3.      Công nghệ phát tia tiên đạo có kiểm soát

• Công nghệ được sử dụng trong Kim thu sét Prevectron và PrimeR. Điểm đặc biệt của công nghệ này là nằm ở sự kiểm soát về thời điểm phát tia tiên đạo nhờ vào thiết bị tính toán tỉ lệ ∆V/∆T, nhằm cho phép phát ra dòng điện chỉ khi tia sét xuất hiện. Do đó điện thế ở trên các cực điện và thời điểm phát tia tiên đạo đều được kiểm soát chặt chẽ.

2.6.      Ưu nhược điểm

• Ưu điểm
  • Bảo vệ hiệu quả: Kim thu sét tiên đạo có khả năng bảo vệ hiệu quả các công trình xây dựng khỏi nguy cơ bị sét đánh.
  • Chi phí thấp: So với các giải pháp chống sét truyền thống, kim thu sét tiên đạo sớm có chi phí đầu tư thấp hơn và không yêu cầu chi phí bảo trì cao.
  • Dễ lắp đặt: Với thiết kế đơn giản, kim thu sét tiên đạo sớm dễ dàng lắp đặt trên các công trình xây dựng mà không cần phải thay đổi cấu trúc của công trình.
  • Tuổi thọ lâu dài: Với việc sử dụng các vật liệu chịu lực và chịu nhiệt cao, kim thu sét tiên đạo sớm có tuổi thọ lâu dài và ít bị hư hỏng trong quá trình sử dụng.
• Nhược điểm
  • Không thể ngăn chặn hoàn toàn sét đánh: Kim thu sét tiên đạo sớm chỉ tạo ra một đường dẫn an toàn cho sét truyền xuống đất, không thể ngăn chặn hoàn toàn sét đánh vào công trình.
  • Cần phải được bảo trì và kiểm tra thường xuyên: Để đảm bảo hiệu suất hoạt động của kim thu sét tiên đạo sớm, cần phải được bảo trì và kiểm tra thường xuyên để phát hiện và khắc phục các sự cố có thể xảy ra.

3.     Cách xác định bán kính bảo vệ của kim thu sét phát tia tiên đạo sớm

3.1.      Bán kính bảo vệ

• Kim thu sét cùng dây dẫn sét, cọc tiếp địa… tạo thành hệ thống chống sét hoàn chỉnh với cơ chế tập trung năng lượng từ tia sét đánh, dẫn truyền tới các bộ phận khác trong hệ thống và truyền xuống mặt đất một cách an toàn.
• Bán kính bảo vệ kim thu sét được hiểu là phạm vi mà trong đó kim có khả năng hoạt động hiệu quả. Đa phần, mỗi sản phẩm kim thu sét sẽ có 4 cấp độ bảo vệ với chiều cao lắp đặt chuẩn là 5 - 6m. Nếu ở bán kính tiêu chuẩn cấp 1, khả năng bảo vệ lên mức tối ưu 99%. Càng ở xa thì khả năng đón sét càng giảm. Ngoài ra, phạm vi bán kính bảo vệ còn thay đổi theo độ cao lắp đặt cột chống sét.
• Bán kính bảo vệ kim thu sét cổ điển
• Bán kính bảo vệ kim thu sét cổ điển khá nhỏ, dao động từ 15 - 18m và có dạng hình nón úp. Phạm vi an toàn của chúng phụ thuộc vào thời gian phát tia, chiều cao của cột và góc bảo vệ. Để tăng tính hiệu quả trong vận hành, các công trình sử dụng loại sản phẩm này sẽ lắp đặt thêm nhiều đầu kim thu trên mái nhà.
• Với những đặc điểm trên, kim thu sét cổ điển thường được ứng dụng trong các công trình dân dụng hoặc công trình nhỏ có chiều cao trong mức khả dụng của sản phẩm.
• Bán kính bảo vệ kim thu sét tia tiên đạo
• Kim thu sét tia tiên đạo E.S.E (Early Streamer Emission) hay còn được biết đến với tên gọi kim thu sét hiện đại là sự kế thừa của dòng kim cổ điển. Bán kính bảo vệ kim thu sét tia tiên đạo dựa theo tiêu chuẩn NFC 17-102 với phạm vi an toàn phụ thuộc 2 yếu tố:
• Chiều cao kim thu sét ở trên công trình cần bảo vệ.
• Thời gian phát tia tiên đạo sau khi đã thực nghiệm.
• Phạm vi bảo vệ của kim có hình chuông và rộng lớn hơn rất nhiều so với kim cổ điển. Xác suất bảo vệ trước dòng sét đánh trực tiếp lên đến 98%. Cùng với đó, chúng có khả năng bảo vệ cho những công trình lớn với độ cao tối đa 300m.
• Kim thu sét tia tiên đạo được ứng dụng trên các tòa nhà cao tầng, quần thể kiến trúc, khu chung cư, công viên, khu công nghiệp, nhà máy… chỉ với một cây kim duy nhất. Kim thu sét tiên đạo còn có thể sử dụng trong hệ thống chống sét lan truyền.

3.2.      Phân loại mô hình chống sét

Có 3 mô hình chống sét cơ bản, gồm:

• Mô hình hình học của kim thu sét cổ điển với bán kính bảo vệ hình nón úp.
• Mô hình điện hình học ứng dụng tại các công trình có chiều cao trên 20m.
• Mô hình phát xạ sớm với vùng an toàn hình chuông.

3.3.      Các xác định bán kính bảo vệ

• Bán kính bảo vệ của kim thu sét hiện đại phát tia tiên đạo được quy định theo tiêu chuẩn NFC 17-102:2011 của Pháp.
• Bán kính này được quyết định bới tham số ∆T. Giá trị ∆T càng lớn thì bán kính bảo vệ của kim càng cao. Giá trị lớn nhất của ∆T ghi nhận được tại các phòng test uy tín hàng đầu thế giới là 60 µs.
• Vùng bán kính bảo vệ của kim thu sét hiện đại được phác họa bằng hình vẽ dưới đây:

• Trong đó:
• Hn: Chiều cao từ đỉnh kim đến điểm xa nhất của vật thể được bảo vệ
• Rpn: Bán kính bảo vệ cấp n của kim thu ứng với chiều cao Hn tương ứng
• Bán kính bảo vệ của kim tia tiên đạo liên quan đến chiều cao H so với bề mặt cao nhất của công trình. Nó được tính bằng công thức sau:

 với h≥ 5m

 với 2 m < h ≤ 5 m

• Trong đó:
• Rp(h) (m): Bán kính bảo vệ tại độ cao h
• H (m): Độ cao từ đỉnh kim đến bề mặt cao nhất của công trình. Lưu ý:
• Kim thu sét thường được lắp ở độ cao 5 m tính từ đỉnh kim cho tới điểm cao nhất của công trình. vì thế trong các catalouge sẽ có bán kính bảo hệ tại cao độ 5m.
• r (m):
• 20m cho mức độ bảo vệ cấp I
• 30m cho mức độ bảo vệ cấp II
• 45m cho mức độ bảo vệ cấp III
• 60m cho mức độ bảo vệ cấp IV
• ∆(m): ∆= ∆T × 10^6∆ (m) là độ lợi tia tiên đạo (∆ = ∆T*V). ∆T là thời gian phát xạ sớm trong khoảng 10-60 µs. Giá trị này tham khảo kim thu sét của từng hãng. Lưu ý:
• Nếu ∆T <10 µS thì kim thu sét sẽ không được coi là kim ESE
• Nếu ∆T >60 µS thì tính là 60 µS
• Một số hãng có thông số ∆T >60 µS thì có thể áp dụng tiêu chuẩn NFC 17-102-2007
• Những cuộc kiểm tra đã chứng minh rằng tham số ∆ tương đương với mức độ hiệu quả của kim thu sét tia tiên đạo.

3.4.      Mặt cắt vùng bảo vệ của kim thu sét

• Lưu ý khi vẽ thể hiện vùng bảo vệ ta phải vẽ mặt cắt của các khu vực xa kim nhất, để xét kim có thể bảo vệ được đối tượng xa nhất hay không, ví dụ mặt cắt chéo hoặc những thứ liên quan đến hệ thống của mình cũng nên cho vào.

• Ví dụ một mặt cắt đứng của một nhà máy (phần gạch chéo):
• Dùng kim thu sét Ingesco, bảo vệ cấp 4, ∆T=54 µS
• Như vậy nhà máy và đèn đường nằm trong vùng bảo vệ của kim thu sét.
• Lưu ý rằng, kim thu sét ESE không phải tin cậy 100%, với cấp bảo vệ 4 thì xác suất bảo vệ chỉ khoảng hơn 80%. Ngay cả cấp bảo vệ 1 thì vẫn có xác suất sét đánh, vì thế để tăng tính tin cậy chống sét trong các tòa nhà cao tầng người ta phối hợp thêm hình thức lồng faraday bằng cách sử dụng các kết cấu kim loại trong tòa nhà.

4.     Bảng tra bán kính bảo vệ đơn giản một số thương hiệu phổ biến

• Dựa trên cách tính toán này, các hãng sản xuất kim thu sét tia tiên đạo đã đưa ra bảng thông số bán kính bảo vệ cho các model kim của mình. Dưới đây là bảng thông số bán kính bảo vệ của một số dòng kim thu sét hiện đại phổ biến hiện nay

4.1.      Bán kính bảo vệ kim thu sét Stormaster

• Kim thu sét Stormaster của hãng LPI Úc. Dòng kim này đã có mặt lâu năm ở thị trường Việt Nam.

4.2.      Bán kính bảo vệ kim thu sét OPR

• Kim thu sét OPR là sản phẩm của tập đoàn công nghệ hàng đầu ABB Pháp. Sản phẩm đã được kiểm định tại những phòng lab uy tín nhất thế giới. Nhờ vậy nó được tin dùng trong những dự án trọng điểm như kho xăng dầu, các công trình cấp I

4.3.      Bán kính bảo vệ kim thu sét Liva

• Được sản xuất bởi tập đoàn Liva Grup Thổ Nhĩ Kỳ. Với kiểu dáng đẹp, chất lượng tốt cùng với giá tương đối cạnh tranh, Liva là thương hiệu được ưa chuộng bậc nhất tại Việt Nam. Đặc biệt Liva có rất nhiều model có thể đáp ứng cho rất nhiều kiểu diện tích công trình.

4.4.      Bán kính bảo vệ kim thu sét Bakiral

• Đây là dòng kim thu sét của Thổ Nhĩ Kỳ. Bakiral là dòng sản phẩm có giá thành tương đối thấp, phù hợp với các công trình nhỏ và các dự án có nguồn kinh phí eo hẹp.

5.     Lựa chọn kim thu sét có bán kính bảo vệ phù hợp

• Việc lựa chọn kim thu sét phụ thuộc vào các yếu tố sau:
• Diện tích công trình. Cụ thể hơn là kích thước các chiều dài, rộng của công trình
• Chiều cao công trình
• Giá trị của công trình. Yếu tố này để đưa ra áp dụng cấp độ bảo vệ cao hay thấp cho công trình
• Chúng ta cũng cần hiểu các thông số mức bảo vệ cấp I, cấp II, Cấp III, cấp IV của kim thu sét. Mức độ bảo vệ cấp I là mức bảo vệ cao nhất của kim thu sét. Xác suất bảo vệ có thể gần như tuyệt đối. Xác suất bảo vệ giảm dần với các mức bảo vệ cấp II đến cấp IV. Như vậy đối với những công trình trọng điểm, giá trị lớn, chúng ta yêu cẩu lựa chọn bán kính bảo vệ theo cấp độ bảo vệ cao (Cấp I hoặc cấp II). Những công trình dân dụng thì thường áp mực bảo vệ thấp hơn (Cấp III, cấp IV).
• Tuy nhiên theo tiêu chuẩn NFC 17-102:2011, thì mức bán kính bảo vệ cấp I chỉ áp dụng được cho 20m cao nhất của công trình. Vì vậy đối với những công trình cao tầng, để đảm bảo an toàn, các kỹ sư vần thường thiết kế thêm hệ thống lưới đẳng thế.