Bảo vệ chống sét đánh thẳng

Chơng XVIII
Bảo vệ chống sét đánh thẳng

Đ18-1. Khái niệm chung:
Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh thẳng cho công trình thờng dùng các hệ thống thu sét
- cột thu sét, dây thu sét - gồm bộ phận thu sét (kim, dây), bộ phận nối đất và các dây dẫn liên hệ
hai bộ phận trên với nhau (dây nối đất).
Nh đã trình bày ở chơng XVI, tác dụng bảo vệ của hệ thống thu sét là ở chỗ tập trung
điện tích ở đỉnh bộ phận thu sét, tạo nên trờng lớn nhất giữa nó với đầu tia tiên đạo, do đó thu
hút các phóng điện sét và hình thành khu vực an toàn ở bên dới và chung quanh hệ thống thu
sét.
Bộ phận nối đất của hệ thống thu sét cần có điện trở nối đất bé để việc tập trung điện tích
cảm ứng phía mặt đất đợc dễ dàng và khi có dòng điện sét đi qua, điện áp trên các bộ phận của
hệ thống thu sét sẽ không đủ để gây nên phóng điện ngợc từ nó tới các công trình đặt gần.
Độ cao so với mặt đất mà từ đó phóng điện tiên đạo bắt đầu có xu hớng phát triển về
phía hệ thôngs thu sét gọi là độ cao định hớng của sét (H). Độ cao này phụ thuộc vào độ cao
của bộ phận thu sét (h), nếu bộ phận thu sét cao dới 30m thì H = kh với hệ số k trong
khoảng 10 ữ 20.
Để nghiên cứu tác dụng bao rvệ của hệ thống
thu sét, trên hình 18-1 cho điểm định hớng của sét di
chuyển trên đờng nằm ngang cùng chung mặt phẳng
với cột thu sét. Khi điểm này nằm đúng phía trên
đỉnh cột thu sét, phóng điện sẽ phát triển về cột thu
sét, nhng khi điểm định hớng di chuyển về hai phía
thì có khả năng phóng điện xuống đất, khả năng này
càng tăng khi điểm định hớng càng đi ra xa. Ví dụ ở
vị trí mà điện áp phóng điện
UU
01 02
=

(xem hình vẽ)
thì khả năng phóng điện về cột thu sét và khả năng
phóng điện xuống đất sẽ bằng nhau và nếu điểm định
hớng ra xa hơn thì sét chủ yếu sẽ phóng điện xuống
đất. Để công trình đợc bảo vệ an toàn, phải đạt điều
kiện sao cho điện áp phóng điện từ điểm định hớng
tới nó lớn hơn điện áp phóng điện tới cột thu sét (U
01
) hoặc tới mặt đất (U
02
). Điều đó có nghĩa
là công trình phải có độ cao thấp hơn và đặt gần cột thu sét.
Đ18-2. Xác định phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét bằng thực
nghiệm.










Hình 18-1
Nghiên cứu tác dụng bảo
vệ của hệ thống thu sét.
N
U
02

U
01
h

Phạm vi bảo vệ của hệ thống thu sét đợc xác định bằng thực nghiệm trên mô hình.
Phóng điện của sét đợc thay bằng phóng điện tia lửa xung kích ở khoảng cách lớn theo sơ đồ
hình 18-2. Trong thí nghiệm của A.A Côpian (Liên
xô), khi chiều cao hệ thống thu sét dới 30m chọn tỷ
lệ
H
h
= 20
đối với cột thu sét cao quá 30m độ cao
định hớng giữ bằng số và bằng 600m đối với cột thu
sét còn đối với dây thu sét bằng 300m.
Mặc dầu phần lớn các phóng điện sét xuống
đất đều có cực tính âm nhng thực nghiệm lại dùng
cực tính dơng vì nếu phóng điện dùng cực tính âm
sẽ có thể xuất hiện tia tiên đạo hớng lên từ đỉnh cột
làm tăng độ cao của nó và phạm vi bảo vệ xác định
đợc sẽ không đảm bảo an toàn. Ngoài ra khi dùng
cực tính dơng do quá trình phóng điện xẩy ra dễ
dàng hơn nên có thể tăng kích thớc củ mô hình.
Kết quả khảo sát nhiều năm trên thực địa đã
xác nhận tính đảm bảo của những đề nghị dựa trên
cơ sở thực nghiệm . Trên hình 18-3, điện cực đặt ở
độ cao H và di chuyển theo hớng nằm ngang, ở mỗi
vị trí của điện cực sẽ cho phóng điện nhiều lần. Thực
nghiệm cho thấy khi
Rh 35,

, toàn bộ số lần phóng
điện đều tập trung vào cột thu sét, khu vực này đợc
gọi là khu vực có xác suất 100% sét đánh vào cột. ở
vị trí
R
h 35,
, một phần số lần phóng điện sẽ hớng
về phía mặt đất, các phóng điện này lệch hẳn so với
đờng thẳng đứng và cách xa chân cột khoảng cách
=
r
h16, , trị số r là bán kính của phạm vi bảo vệ ở
mức cao mặt đất.


1


3 1




Hình 18-2
Sơ đồ thí nghệm xác định phạm vi
bảo vệ của hệ thống thu sét.
MEX- máy phát điện áp xung kích
1. Mô hình đầu tia tiên đạo.
2. Mô hình cột thu sét.
3. Tấm kim loại đợc nối đất.

Hình 18-3
Xác định phạm vi bảo vệ của
cột thu sét.

MFX
R
R= 3,5h
H
h
h
r = 1,5h

Việc xác định bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao h
x
nào đó đợc tiến hành bằng
cách dùng đoạn cột cao
h
x
để thay cho vật cần

đợc bao rvệ đặt cùng trong một mặt phẳng và
cho xê dịch đối với nhau và đối với mô hình cột
thu sét. ứng với mỗi vị trí của chúng sẽ cho
phóng điện nhiều lần và xác định khoảng cách
cực đại
r
x
giữa hai vật cần đợc bảo vệ tới cột thu
sét sao cho nó không bị phóng điện. Khoảng cách
r
x
này sẽ là bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức
cao
h
x
.

Số lần phóng điện ở mỗi vị trí của điện
cực càng nhiều thì phạm vi bảo vệ xác định đợc
sẽ càng chính xác và xác suất phóng điện vào vật đặt
trong phạm vi baỏ vệ càng bé. Thờng xác định
phạm vi bảo vệ với xác suất 0,1%( xác suất phóng
điện vaò vật cần đợc bảo vệ). Đối với dây thu sét (
dây chống sét) điện cực và vật cần đợc bảo vệ sẽ di
chuyển trong mặt phẳng thẳng góc với dây thu sét
(hình 18-4). Kết quả thực nghiệm cho thấy phạm vi
bảo vệ ở mức cao mặt đất có kích thớc h = 1,2h và
khu vực có xác suất 100% phóng điện vào dây thu sét
có nửa chiều rộng B = 2h.
1. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.

Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (hình 18-5) là miền đợc giới hạn bởi mặt ngoài của
hình chóp tròn xoay có đờng sinh xác định bởi phơng trình:

()
r
h
h
hh
x
x
x
=
+

16
1
,
(18-1)
Trong đó:
h độ cao cột thu sét.

r
x

bán kính của phạm vi bảo vệ ở mức cao
h
x
.

h
x

độ cao của vật cần đợc bảo vệ.

hh
x

độ cao hiệu dụng của cột thu sét.
Để dễ dàng thuận tiện trong tính toán thiết kế, thờng dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn
giản hoá (hình 18-6). Đờng sinh của hình chóp có dạng đờng gẫy khúc, một trong các đoạn
của nó - đoạn ab - là phần đờng thẳng nối đỉnh cột thu sét tới điểm trên mặt đất cách chân cột
0,75h còn đoạn kia - đoạn bc - là phần đờng thẳng nối giữa điểm cao 0,8h trên thân cột tới điểm









Hình 18-4
Xác định phạm vi bảo vệ của
dây thu sét.

Hình 18-5
Phạm vi bảo vệ của
cột thu sét.

B
1

B = 2h

H

h
b =1,2h

r
h

cách xa chân cột 1,5h. Từ hình vẽ có thể thấy, điểm b có độ cao
2
3
h
( bán kính bảo vệ ở các mức
cao khác nhau đợc tính toán theo các công thức sau đây:
Khi
hhr
h

h
xx
x
=






2
3
15 1
08
;,
,
(18-2)

Khi
hhr
h
h
xx
x
>=

2
3
075 1;,
(18-3)














Hình 18-6
Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét.
1.Phạm vi bảo vệ dạng dơn giản hoá.
.2.Phạm vi bảo vệ xác định theo (18-1)


Các công thức trên chỉ dùng trong trờng hợp cột thu sét cao tới 30m. Hiệu quả ph của cột cao
quá 30m có giảm sút đo độ cao định hớng của sét giữ hằng số. Co sthể dùng các công thức trên
để tính toán phạm vi bảo vệ nhng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh
p
h

=
55,
và trên hình vẽ dùng
các hoành độ: 0,75hp và 1,5hp.
2. Phạm vi bảo vệ của hai và nhiều cột thu sét.
Phạm vi vảo vệ của hai cột thu sét có kích thớc lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi baỏ
vệ của hai cột đơn. Nh trên đã thấy khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu sét có bán
kính R = 3,5h. Nh vậy khi hai cột thu sét đặt cách nhau
= 2R = 7h thì bất kỳ điểm nào trên
mặt đất trong khoảng giữa hai cột sẽ không bị sét đánh, từ đó suy ra nếu hai cột thu sét đặt cách
nhau khoảng cách
< 7h thì sẽ bảo vệ đợc độ cao h
0
xác định bởi:
a

r
x

c


b

r
x

h
x

h
9
2


a

0,75h
1,5h
0,2h

h
Mặt bằng của phạm
Vi bảo vệ ở mức
cao h
x


hh=
0
7


hoặc
hh
0
7
=

(18-4)

Mặt cắt thẳng đứng đi qua hai cột thu sét của phạm vi bảo vệ cho trên hình 18-7.

















Hình 18-7
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét.


Các phần bên ngoài giống nh của trờng hợp một cột còn phần bên trong đợc giới hạn
bởi vòng cung đi qua ba điểm: Hai đỉnh cột và điểm ở giữa có độ cao h
0
. Mặt cắt thẳng đứng cắt
theo mặt phẳng vuông góc đặt giữa hai cột của phạm vi bảo vệ đợc vẽ giống nh của một cột có
độ cao h
0
. Từ hai mặt cắt này có thể vẽ đợc mặt phẳng của phạm vi bảo vệ ở các mức cao khác

nhau.

0
R
0,2h
h
0,75h
1,5h
a
h
o
=h-
7
a

h
x

r
x
0
h
x

r
ax
h
o

0,2h

0,75h
1,5h
r
ax
r
x

Mọi công trình cần bảo vệ an toàn bằng hai cột thu sét phải đợc nằm gọn trong phạm vi
bảo vệ này nghĩa là có độ cao công trình
hhh
x
=
0
7

và mặt bằng công trình đợc
giới hạn trong mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở
mức cao cao
h
x
.
Cách vẽ phạm vi bảo vệ của hai cột thu
sét có chiều cao khác nhau đợc trình bày trên
hình 18-8. Trớc tiên vẽ phạm vi bảo vệ của
cột cao, sau đó qua đỉnh cột thấp vẽ đờng
thẳng ngang gặp đờng sinh của phạm vi bảo
vệ cột cao ở điểm 3; điểm này đợc xem là
đỉnh của một cột thu xét giả định, nó sẽ cùng
với cột thấp (cột 2) hành thành đôi cột có độ cao bằng nhau (h

2
) với khoảng cách '.
Khi công trình cần đợc bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng một vaì cột thì cột
phải rất cao gây nhiều khó khăn cho thi công, lắp ráp. Trong các trờng hợp này sẽ dùng nhiều
cột phối hợp bảo vệ (hình 18-9). Phần ngoài của phạm vi bảo vệ đợc xác định nh của từng đôi
cột ( yêu cầu khoảng cách
ah 7)
. Không cần vẽ phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành
bởi các cột thu sét mà chỉ kiểm tra điêù kiện bảo vệ an toàn. Vật ó độ cao h
x
nằm trong đa giác
sẽ đợc bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện :

()
ax
h8hh8D
=

(18-5)

a) b)
Hình 18-9
Mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở mức cao h
x
.
Hình a- Dùnh 3 cột thu sét.
Hình b- dùng bốn cột thu sét.
trong đó: D- đờng kính vòng tròn ngoại tiếp của đa giác hình thành bởi các cột thu sét.









Hình 18-8
Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét cao
không bằng nhau
a
a
h
2
h
1
R
2 3
1
a

1
a
2
a
3
r
0x3

r
0x1

r
0x2

D 8h
a

1

2

3

r
x

a
1
a
2

r
x

1

2

3

4

D

8h
a

r
0x1

r
0x2


hhh
ax
= độ cao hiệu dụng của cột thu sét là phần cột vợt cao hơn so với mức cao
h
x
.
Khi các cột thu sét bố trí bất kỳ, cần phải kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn cho từng cặp

ba cột đặt gần nhau.
Nếu độ cao cột vợt quá 30m, điều kiện bảo vệ (18-5) đợc hiệu chỉnh theo:

()
Dhhphp
xa
=88
(18-6)
3. Phạm vi bao rvệ của dây thu sét (dây chống sét).
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét nh hình 18-10. Mặt cắt thẳng đứng theo phơng vuông
góc với dây thu sét của phạm vi bảo vệ đợc
xác định tơng tự nh của cột thu sét có các
hoành độ 0,6h và 1,2h.
Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở mức
cao
h
x
cũng đợc tính theo các công thức
tơng tự:
Khi hh
x
f
2
3
:

bh
h
h
x

x
=






06 1,
(18-7)
Khi
hh
x

2
3
:

bh
h
h
x
x
=

12 1
08
,
,
(18-8)

Do nửa chiều rộng của khu vực có xác
suất 100% phóng điện vào dây đặt cách nhau s
= 4h thì mọi điểm trên mặt đất nằm giữa hai
dây này sẽ đợc bảo vệ an toàn và nếu khoảng
cách
s
h< 4
thì có thể bảo vệ cho các điểm
(giữa hai dây) có mức
cao tới
hh
s
0
4
=
.
Phần bên ngoài của phạm vi bảo vệ
đợc xác định nh trờng hợp một dây còn
phần bên trong đợc giới hạn bởi vòng cung vẽ
qua ba điểm: Hai điểm treo dây thu sét và điểm
giữa có độ cao
hh
s
0

4
=( hình 18-11).














Hình 18-10
Phạm vi bảo vệ của dây thu sét.











Hình 18-11

Phạm vi bảo vệ của hai dây thu sét.

1,2h
0,6h
2b
x

h
x

b
x

h


0,2h

Dây thu sé
t

s
1,2h
0,6h
b
x

0,2h
h
h

x

4
s
hh
0
=
R

Dây thu sét thờng đợc dùng để bảo vệ
chống sét cho đờng dây điện cao áp. Vì độ treo
trung bình của dây dẫn thờng lớn hơn
2
3
độ treo
cao của dây thu sét ( tỷ lệ
h
h
x
bằng khoảng 0,8) nên
có thể không cần đề cập tới phạm vi bảo vệ mà biểu
thị bằng góc bảo vệ
(hình 18-12) là góc giữa
đờng thẳng đứng với đờng thẳng nối liền dây thu
sét và dây dẫn.
Có thể tính toán đợc trị số giới hạn của góc
là 31
o
( tg = 0,6) và thực tế thờng lấy khoảng
20

ữ15
o
.

Đ18-3. Các yêu cầu kỹ thuật khi dùng hệ thống thu sét bảo vệ
chống sét đánh thẳng.
1. Công trình cần bảo vệ an toàn phải đợc nằm gọn trong phạm vi bảo vệ của hệ thống
thu sét. Hệ thống này có thể đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt cách ly tuỳ thuộc vào
hoàn cảnh và điều kiện cụ thể.
Đặt hệ thống thu sét ngay trên công trình có u điểm là tận dụng đợc phạm vi bảo vệ do
đó giảm độ cao của hệ thống thu sét, ví dụ nh đặt kim thu sét trên xà trạm biến áp hoặc treo dây
chống sét trên cột điện. Nhng khi có phóng điện
sét, dòng điện sét sẽ gây nên điện áp giáng trên
điện trở nối đất và trên phần điện cảm thân cột, trị
số điện áp này khá lớn và có thể gây nên phóng
điện ngợc từ hệ thống thu sét tới các bộ phận
mang điện nếu cách điện giữa chúng không chịu
nổi. Do đó điều kiện đặt hệ thống thu sét trên các
công trình có mang điện là phải đảm bảo có mức
cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối
đất bé. Đối với trạm biến áp và đờng dây điện áp
110kV trở lên, các yêu cầu trên đợc thực hiện
tơng đối dễ dàng, ở các cấp điện áp thấp hơn việc
đặt hệ thống thu sét trên công trình sẽ gặp nhiều
khó khăn và không hợp lý về kinh tế kỹ thuật, cho
nên trong các trờng hợp này hệ thống thu sét đợc đặt cách ly với công trình.

Hình 18-12
Dùng dây chống sét bảo vệ
đờng dây điện cao áp.











Hình 18-13
Xác định khoảng cách an toàn
trong đất và trong không khí giữa hệ
thống thu sét và công trình.

s
đ
s
k

h

l

s
4
s
h =

h


Khi đặt cách ly giữa chúng cũng phải có khoảng cách nhất định, nếu khoảng cách này quá
bé thì vẫn có khả năng phóng điện trong không khí cũng nh trong đất từ hệ thống thu sét tới
công trình và nh vậy cũng không kém nguy hiểm so với khi có sét đánh thẳng vào công trình.
Điện áp tại điểm trên thân cột cách bộ phận nối đất đoạn dài
l
(hình 18-13) đợc tính theo
công thức:

UIR L
di
dt
sxk
s
tr b
1
=+

.
(18-9)
trong đó:

I
s
biên độ dòng điện sét, kA.

L
điện cảm của phần dây nối dài
l
H
,

.

R
xk
điện trở nối đất xung kích của bộ phận nối đất,

.

di
dt
s
tr b

.
độ dốc trung bình của phần đầu sóng dòng điện sét (lấy theo dạng sóng xiên
góc),
kA
s
/

.
Trong tính toán thờng lấy
I
s
=
150
và
di
dt
s
tr b

=
.
30

kA
s
/

. Đối với cột thu sét kim
loại có kết cấu kiểu mạng lới hoặc khi dây nối đất đặt riêng, trị số điện cảm theo đơn vị dài có
trị số
LHm
0
17= ,/

. Nh vậy có thể tính đợc:

URl
xk1
150 50=
+

và điện áp trên bộ phận nối đất bằng:

UIR R
d s xk xk
=
=
150

Chúng có thể đạt đợc các trị số rất lớn, ví dụ khi
R
xk
=
10

và
l
m= 10
thì UkV
1
2000
=
và
UkV
d
= 1500 . Do đó để không thể xảy ra phóng điện từ hệ thống thu sét tới công trình, các
khoảng cách không khí
()s
k
và khoảng cách trong đất
()s
d
phải đủ lớn để có mức cách điện
không thấp hơn so với các trị số điện áp nói trên.
Cờng độ cách điện xung kích của không khí thờng lấy bằng 500kV/m và trị số trờng
phóng điện trong đất lấy bằng 300kV/m, từ đó suy ra các khoảng cách an toàn (tính bằng mét):

s

U
Rl
kxk
>= +
1
500
03 01,,
(18-10)

s
U
R
d
d
xk
>=
300
05,
(18-11)
Có thể xuất phát từ các điều kiện an toàn trên để xác định đienẹ trở nối đất của hệ thống
thu sét hoặc khi bộ phận nối đất đã có sẵn, sẽ căn cứ vào đó để kiểm tra khả năng phóng điện
ngợc.
2. Phần dẫn điện của hệ thống thu sét ( của bộ phận thu nhận sét và của dây nối đất) phải
có đủ tiết diện để thoả mãn điều kiện ổn định nhiệt khi có dòng điện sét đi qua.

Do thời gian tồn tại của dòng điện rất ngắn nên trong tính toán phát nóng có thể bỏ qua
tản nhiệt vào môi trờng chung quanh và nếu điện trở của phần dẫn điện theo đơn vị dài là r thì
năng lợng phát nóng của dòng điện sét sẽ bằng:

Wridt

s
=


2
0

Nh trên đã phân tích, trong trờng hợp này dạng sóng tính toán hợp lý là dạng sóng hàm
số mũ:

iIe Ie
ss
t
T
s
t
s
==


07,


(

s
độ dài sóng 0,7T)
Nh vậy:
WrIe dtrI
ss

s
s
=








=



07
2
2
0
14
,
,



Nhiệt độ phát sóng của phần dẫn điện đợc xác định theo công thức:

t
W
gSC

I
gCS
o
ss
==

2
2
14,

ở đây:

g
mật độ của vật liệu dẫn điện.

C

nhiệt dung trung bình của vật liệu.

S

tiết diện của phần dẫn điện.



điện trở suất của vật liệu.
Lấy biên độ dòng điện
IkA
s
= 150

và độ dài sóng


s
s
=
100
(do có sét đến phát nóng
phụ của các phần phóng điện kế tiếp), phần dẫn điện thờng dùng thép nên có
ggcmCcalgC
o
==78 01
3
,/ , , và trị số

trong phạm vi nhiệt độ
0400
ữ
o
C
bằng
310
5



cm
với
các số liệu trên sẽ tính đợc nhiệt độ phát nóng.

t
S
o
=
13 4
2
,

Dây thép có tiết diện 25 mm
2
sẽ bị phát nóng tới nhiệt độ
t
C
oo
= 215
nh vậy là hoàn
toàn cho phép ngay cả khi đặt nó dọc theo gỗ. Nhng với mục đích nâng cao độ bền cơ khí và
tăng thời gian sử dụng thờng chọn tiết diện
50
2
mm
trở lên ( thép tròn

8
).
Để chống ăn mòn, phần dẫn điện cần đợc sơn hoặc tráng kẽm và không nên dùng loại
dây xoắn.
Các mối nối dọc theo mạch điện của hệ thống thu sét phải đảm bảo có tiếp xúc tốt, nếu
không tại các nơi này có thể quá nóng hoặc có phóng điện tia lửa (thờng dùng phơng
pháp hàn điện hoặc nối bulông mà không đợc dùng các cách buộc xoắn thông thờng).