Chương chống sét Môn Hệ thống điện | Đại học Bách Khoa Hà Nội

lOMoAR cPSD| 61552889 5.1 Hệ thống chống sét
5.1.1 Tổng quan hệ thống chống sét
Sét hay tia sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất hay
giữa các đám mây mang các điện tích khác dấu với nhau.
Khi phóng tĩnh điện trong khí quyển, một tia sét có thể di chuyển từ đám mây xuống đất
với tốc độ lên tới gần 105 km/s. Bởi vì tia sét là sự di chuyển của các hạt mang điện (electron
và ion) dưới dạng dòng Plasma phát sáng nhưng hình ảnh của sét truyền đi bằng ánh sáng
hay photon nên có thể thấy nó trước khi nghe tiếng sấm.
Sét có dòng điện cực lớn khoảng 2kA đến 200kA và có thể đạt tới nhiệt độ trên 30000K
(29726°C), gấp 5 lần nhiệt độ bề mặt Mặt Trời (5778K). Với cường độ như trên thì sét gây
nguy hại đến tính mạng con người, ảnh hưởng lớn đến cơ sở hạ tầng nếu bị sét đánh trực tiếp.
Hệ thống chống sét là tập hợp các thiết bị sử dụng để bảo vệ con người và các cơ sở hạ tầng
khỏi dòng điện mạnh mẽ từ tia sét.Cấu tạo chung của hệ thống chống sét thông thường bao
gồm: Kim thu sét, Dây thoát sét, Bộ đếm sét, Hộp kiểm tra, Tiếp địa chống sét và các bộ
phận khác như giá đỡ kim, kẹp nối, đinh tán, thiết bị chống sét lan truyền,… Có ba phương
pháp chống sét đánh trực tiếp như sau: i. Phương pháp cổ điển
Sử dụng kim thu sét Franklin, được phát minh bởi Benjamin Franklin vào năm 1753. Nó
bao gồm một thanh kim loại dài nối từ đỉnh công trình xuống mặt đất, với đầu nhọn ở trên
cùng để tập trung tia sét. Để tăng độ an toàn, kim thu sét thường được bọc thêm bằng sứ,
giúp ngăn chặn các ảnh hưởng của sét vào công trình. Hệ thống này có thời gian sử dụng
lâu dài và độ an toàn cao. Xét về ưu điểm, thiết bị chống sét cổ điển có giá khá rẻ, lắp đặt
khá đơn giản. Tuy nhiên, phạm vi bảo vệ và độ an toàn không được đánh giá cao.
Chống sét cổ điển hoạt động dựa trên nguyên lý thu hút sét. Kim thu lôi với đầy nhọn sẽ
tạo ra một điện trường mạnh, thu hút sét đánh vào. Dòng điện sét sau đó được dẫn xuống
đất qua dây dẫn và cọc tiếp địa. Tuy nhiên, hệ thống này có tính thụ động, chỉ phát huy
được tác dụng khi sét đã hình thành và di chuyển gần đến.
ii. Phương pháp hiện đại
Hệ thống chống sét hiện đại sử dụng kim thu sét mới, hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ
phát xạ sớm. Nguyên lý này giúp tăng cường điện trường ở đầu kim, tạo điều kiện cho việc
phát tia tiên đạo, từ đó làm giảm thời gian đón dòng điện sét và mở rộng phạm vi bảo vệ.
Nguyên lí hoạt động của hệ thống này là chủ động phát ra các xung điện tử để tạo ra một
đường dẫn ion hóa, thu hút sét về phía mình trước khi hình thành. Điều này giúp tăng khả
năng bảo vệ và giảm thiểu thiệt hại do sét gây ra.
ii. Phương pháp lưới chống sét
Phương pháp lưới thu sét là một dạng của hệ thống Lồng Faraday, sử dụng các thanh hoặc
ống kim loại phù hợp cho việc chống sét, đan thành các mắt lưới với khẩu độ tương ứng
cho loại công trình để bảo vệ cho các công trình có mái bằng và chiều cao lớn, đồng thời
phương pháp này cùng làm giảm hiện tượng sét lan truyền. Thông thường có thể kết hợp
lưới chống sét với kim thu sét cổ điển để nâng cao khả năng bảo vệ.
5.1.2 Thiết kế hệ thống chống sét đánh trực tiếp cho toà nhà lOMoAR cPSD| 61552889
Đối với quy mô về diện tích cũng như cao độ của toàn nhà phường pháp bảo vệ an
toàn và phù hợp nhất theo tiêu chuẩn quy định của Việt Nam lựa chọn phương pháp sử
dụng lưới chống sét kết hợp kim thu sét cổ điển.
Hình: Ảnh minh hoạ hệ hống lưới chống sét kết hợp kim thu sét cổ điển
Đây là phương pháp sử dụng nhiều dây dẫn bố trí bao quanh toà nhà, để bảo vệ toà nhà
tránh khỏi sức phá huỷ mạnh mẽ từ tia sét. Hơn nữa lồng chống sét được xem như một lá
chắn từ cho toà nhà, khi có một trường điện từ bên ngoài tác động vào lồng, các điện tích
trong vật liệu dẫn điện của lồng sẽ tái phân bố sao cho các trường điện bên trong lồng bị
triệt tiêu. Lồng chống sét có thể kết hợp với hệ thống bê tông cốt thép các cột, dầm của toàn
nhà làm giảm đi đáng kế vật liệu cần thiết.
Theo TCVN:9385 Chống sét cho công trình xây dựng - Hướng dẫn thiết kế, kiểm
tra và bảo trì hệ thống, Lưới thu sét được bố trí theo viền chu vi mái của công trình, Phải
đảm bảo cho không có bộ phận nào của mái cách dây thu sét quá 5m và khẩu độ lưới tối đa
là 20m x 10m. Tức là nếu mặt bằng mái có chiều dài hơn 20m thì cần bố trí thêm các dây
thu sét ngang, khoảng cách giữa các dây không quá 20, chiều rộng của mái lớn hơn 10m
thì bố trí thêm các dây thu xét dọc và khoảng cách giữa chúng không quá 10m. Các mắt
lưới phải được hàn với nhau và đảm bảo về cơ học và tiếp xúc.
Sử dụng dây đồng tròn đặc tiết diện 120mm2 để bố trí trên mặt bằng mái như sau:
Hình: Mặt bằng lưới chống sét tầng mái
Tại các các mặt lưới nằm trên các phòng thang máy và mắt lưới ở viền chu vi mái
bố trí thêm các thu sét cổ điển D16 dài 0,8 mét để tăng cường khả năng bảo vệ.
Dây thoát sét là thành phần không thể thiếu của hệ thống chống sét, lựa chọn dây
thép mạ kẽm D10 đi âm trong các cột kết cấu bao quanh của toà nhà để dẫn dòng sét. Các
dây thoát sét đi từ tầng mái xuống đến vòng đẳng thế được làm từ thép mạ kẽm D10 bao
quanh toà nhà đi âm trong giằng móng và kết nối với cốt thép giằng móng để góp phần làm tiêu tản dòng sét.
Các tiết diện dây lựa chọn đều thoả mãn tiết diện yêu cầu của bộ phận thoát sét theo
tiêu chuẩn TCVN:9385:2012. Để hoàn thiện sơ bộ hệ thống chống sét cần tính toán thêm
hệ thống nối đất chống sét cho toà nhà, trình bày ở mục 5.2.3 Nối đất chống sét đánh trực tiếp.
5.1.3 Thiết kế hệ thống chống sét lan truyền cho toà nhà
Khi một luồng sét đánh xuống mặt đất hay hay tòa nhà, công trình nào đó, nó sẽ gây ra cảm
ứng điện từ lên các đường dây dây điện gần đó. Dòng sét lan truyền đánh vào các đường
dây tín hiệu nguồn như dây điện, dây điện thoại,… rồi theo hệ thống dây dẫn lan truyền tới các thiết bị điện.
Sét lan truyền có thể làm hư hỏng các thiết bị điện điện tử do sự gia tăng đột biến sóng điện
từ hoặc xung điện áp. Gây ra tổn thất về chi phí sửa chữa cũng như phục hồi thiết bị, làm
dán đoạn vận hành đối với hệ thống sản suất, có thể phá hủy các linh kiên điện tử như bô
nhớ, bô xử lý, tụ điên, và màn hình. lOMoAR cPSD| 61552889
Hệ thống chống sét lan truyền là hệ thống các thiết bị các thiết bị cắt và lọc sét nhằm giảm
thiểu những nguy cơ quá áp và sự lây lan của dòng điện đột ngột trên hệ thống điện hoặc
tín hiệu. Bằng việc điều hướng dòng điện nguy hiểm đến một nơi an toàn, để đảm bảo an
toàn cho hệ thống và thiết bị điện trong trường hợp xảy ra hiện tượng sét lan truyền. i. Thiết
bị chống sét lan truyền
SPD(Surge Protection Devices) được thiết kế để hạn chế quá áp thoáng qua có nguồn gốc
khí quyển và chuyển hướng sóng dòng điện xuống đất, để hạn chế biên độ của quá áp này
đến một giá trị không gây nguy hiểm cho các thiết bị điện trong hệ thống mà nó bảo vệ.
Hình: Chống sét lan truyền 3P + N – 65kA, nhà sản suất Schneider
Thiết bị chống sét lan truyền thường được lắp đặt song song với hệ thống cung cấp điện để
không ảnh hưởng đến cấu trúc mạch cung cấp điện, đồng thời có thể bảo vệ toàn bộ thiết
bị trong hệ thống cùng lúc, không làm gián đoạn hệ thống khi thay thế.
Hình: Sơ đồ minh hoạ SPD lắp đặt song song Có ba loại SPD:
SPD loại1: là thiết bị được khuyên dùng hàng đầu cho nhà cao tầng, xí nghiệp, nhà máy…
vì có khả năng hoạt động hiệu quả và đảm bảo an toàn cao, SPD này thường được sử dụng
cùng hệ thống chống sét trực tiếp. SPD loại 1 có khả năng xả ngược dòng năng lượng do
sét lan truyền dội ngược từ dây dẫn đất đến dây dẫn của hệ thống lưới điện. SPD loại 1
được đặc trưng bởi dòng điện dạng sóng 10/350 μs.
SPD loại 2: là hệ thống bảo vệ chính cho tất cả các thiết bị điện hạ thế. Được lắp đặt trong
mỗi tủ điện, nó ngăn ngừa sự lan truyền quá áp trong hệ thống điện và bảo vệ các tải, SPD
loại 2 được đặc trưng bởi dạng sóng điện 8/20 μs.
SPD loại 3: là những SPD có dung lượng xả thấp. Do đó, chúng phải được lắp đặt một cách
bắt buộc như là một thiết bị bổ sung cho SPD loại 2 và trong vùng lân cận các tải nhạy cảm.
Các thông số chính của SPD:
Iimp : Dòng phóng điện xung cho thiết bị SPD loại 1, được sử dụng trong thử nghiệm cấp
1 đối với SPD loại 1, là dòng xung điện có dạng sóng 10/350μs tối đa SPD có thể chịu được mà không bị phá hủy.
Imax : Dòng phóng điện tối đa của thiết bị SPD loại 2, là dòng điện xung 8/20μs tối đa mà
SPD vẫn có thể chịu được và không bị phá hủy.
Uc : Điện áp hoạt động tối đa của SPD mà SPD có thể hoạt động liên tục, nếu cao hơn mức
này thì SPD sẽ bị hư hỏng.
Up: Điện áp dư hay điện áp sót tối đa của SPD trong quá trình phóng dòng xung 8/20μs. ii.
Nguyên tắc lựa chọn SPD
Theo IEC 62305, nếu toà nhà có cột thu sét hoặc cách cột thu sét dưới 50 mét thì cần lắp
đặt SPD loại 1 và SPD loại 2, nếu không thì lắp đặt SPD loại 2.
Đối với SPD loại 1, khi lắp đặt cần tuân theo hai điều kiện là: dòng điện xả định mức không
nhỏ hơn 5kA (8/20)μs và mức điện áp bảo vệ nhỏ hơn 2,5kV. lOMoAR cPSD| 61552889
Sau khi đã lắp đặt SPD tại nguồn, nếu khoảng cách từ SPD đến các tải nhạy cảm lớn hơn
30m thì cần lắp đặt thêm các SPD loại 3, các SPD loại 3 lắp đặt càng gần tải thì khả năng bao vệ càng cao.
Hình: Sơ đồ khối nguyên tắc lựa chọn SPD
Thiết bị chống sét lan truyền SPD sẽ có một thiết bị chống ngắn mạch (SCPD - Short Circuit
Protection Device) đi kèm để chống ngắn mạch vào cuối tuổi thọ của thiết bị và một bộ chỉ
báo cho người sử dụng biết khi nào hết tuổi thọ của thiết bị.
Để lựa chọn SCPD phù hợp cần xem xét đến các yếu tố sau: Phải chịu được dòng điện sét,
sét lan truyền. Phải có khả năng cắt ngắn mạch, dòng cắt ngắn mạch phải lớn hơn dòng
ngắn mạch tính đến vị trí lắp đặt của nó. Phối hợp bảo vệ với thiết bị bảo vệ đầu nguồn để
tối ưu khả năng bảo vệ hệ thống.
iii. Lựa chọn SPD cho toà nhà
Theo nguyên tắc lựa chọn SPD, lựa chọn SPD và SCPD cho toà nhà như sau:
Hình: SPD 1+2/Schneider/A9L16634 SPD Lựa chọn Chủng loại Loại 1 + 2 Số pha3P + N
Dòng xả xung Iimp nhỏ nhất 12.5/50 kA
Dòng điện xả lớn nhất 50 kA
Điện áp vận hành 230/400 VAC Điện áp bảo vệ 1.5 kV
Hình: MCCB/Siemens/3VM1112-5GD42-0AA0 SCPD Lựa chọn Chủng loại MCCB Số pha3P + N Điện áp 415 V
Dòng điện định mức125 A lOMoAR cPSD| 61552889
Dòng cắt ngắn mạch55 kA 5.2 Hệ thống nối đất
5.2.1 Tổng quan về hệ thống nối đất
Hệ thống nối đất hay còn gọi là hệ thống tiếp địa là một thành phần thiết yếu trong các công
trình điện, đóng vai trò quan trọng trong việc vân hành và đảm bảo an toàn cho con người
cùng với thiết bị điện. Hệ thống này bao gồm ba loại là nối đất an toàn, nối đất làm việc và nối đất chống sét.
Nối đất an toàn có nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho con người khi cách điện của thiết bị bị
hư hỏng. Thực hiện nối đất an toàn bằng cách nối đất các bộ phận kim loại bình thường
không mang điện (như: vỏ máy, thùng máy biến áp, các giá đỡ kim loại,…) Khi cách điện
bị hư hỏng do lão hóa trên các thiết bị này sẽ xuất hiện điện thế nhưng do đã được nối đất
nên mức điện thế thấp. Do đó đảm bảo an toàn không gây nguy hiểm cho người khi tiếp xúc với chúng.
Nối đất làm việc có nhiệm vụ đảm bảo sự làm việc bình thường của thiết bị, hoặc một số
bộ phận của thiết bị yêu cầu phải làm việc ở chế độ làm việc đã được quy định sẵn như là
nối đất điểm trung tính của máy biến áp trong hệ thống có điểm trung tính nối đất. Nối đất
chống sét có nhiệm vụ làm tản dòng điện sét vào trong đất để bảo vệ con người cũng như
công trình tránh khỏi sức phá hoại mạnh mẽ của tia sét.
5.2.2 Nối đất an toàn và làm việc cho hệ thống điện
Đối với hệ thống điện thông thường có kiểu sơ đồ nối đất sau: IT, TT, TN-C, TN-S. i. Hệ thống IT
Hệ thống IT là hệ thống mà điểm trung tính của nguồn điện không được nối đất trực tiếp,
hoặc nối thông qua một điện trở hoặc trở kháng lớn. Các vỏ kim loại của thiết bị điện vẫn
được nối đất bình thường. Trong điều kiện hoạt động bình thường, hệ thống này hoàn toàn cách ly với mặt đất.
Hình: Sơ đồ nối đất IT
Hệ thống IT có khả năng duy trì hoạt động liên tục kể cả khi có một điểm trong hệ thống
bị chạm đất. Điều này làm tăng độ tin cậy của nguồn điện và giảm nguy cơ ngắt mạch đột
ngột. Ngoài ra, dòng điện sự cố thấp nên giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.
Việc giám sát hệ thống IT khá phức tạp, đòi hỏi thiết bị cảnh báo sự cố chạm đất. Khi xảy
ra sự cố pha chạm đất đầu tiên, hệ thống vẫn hoạt động, nhưng nếu không xử lý kịp thời,
sự cố thứ hai có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng. Chi phí đầu tư và vận hành tương đối cao.
Hệ thống IT thường được dùng trong các cơ sở yêu cầu độ tin cậy rất cao, chẳng hạn như
bệnh viện, nhà máy hóa chất, khai thác mỏ, hệ thống điện quan trọng của quân sự và hàng
không, nơi không được phép mất điện đột ngột. lOMoAR cPSD| 61552889 ii. Hệ thống TT
Trong hệ thống TT, điểm trung tính của nguồn điện được nối đất trực tiếp, còn vỏ thiết bị
điện được nối đất thông qua điện cực tiếp địa riêng biệt. Nói cách khác, nguồn và tải có hai
điểm nối đất tách biệt.
Hình: Sơ đồ nối đất TT
Cấu hình hệ thống TT đơn giản, dễ lắp đặt và phù hợp với hầu hết các vùng dân cư hoặc
công trình không thể chia sẻ chung điểm nối đất. iii. Hệ thống TN-C
Hệ thống TN-C sử dụng chung dây trung tính và dây bảo vệ thành một dây duy nhất gọi là
PEN. Điểm trung tính của nguồn điện được nối đất trực tiếp, và các vỏ thiết bị điện được nối với dây PEN này.
Hình: Sơ đồ nối đất TN-C
Cách thiết kế kết hợp này giúp tiết kiệm chi phí dây dẫn và công lắp đặt, đặc biệt trong các
hệ thống phân phối điện quy mô lớn như đường dây hạ thế kéo dài. Cấu trúc đơn giản, dễ mở rộng.
Nếu dây PEN bị đứt, vỏ thiết bị có thể bị nhiễm điện, gây nguy hiểm nghiêm trọng.
Hệ thống TN-C thường được sử dụng trong các mạng điện cũ, mạng lưới phân phối điện
hạ áp công cộng hoặc khu vực mà chi phí đầu tư là ưu tiên hàng đầu và không có yêu cầu
cao về độ nhạy bảo vệ. iv. Hệ thống TN-S
Trong hệ thống TN-S, dây trung tính và dây bảo vệ được tách biệt hoàn toàn từ nguồn đến
tải. Điểm trung tính của nguồn được nối đất trực tiếp, còn vỏ thiết bị được nối với dây PE
riêng biệt, đảm bảo an toàn cao hơn.
Hình: Sơ đồ nối đất TN-S
Hệ thống TN-S an toàn và ổn định cao, giảm thiểu nguy cơ rò rỉ điện phù hợp cho các công
trình hiện đại như tòa nhà văn phòng, trung tâm dữ liệu.
Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn do cần thêm dây dẫn riêng biệt. Việc thi công cũng phức
tạp hơn so với TN-C hoặc TT, đòi hỏi thiết kế cẩn thận và đồng bộ.
5.2.3 Tính toán điện trở nối nối đất
i. Nối đất an toàn và làm việc của hệ thống điện
Như đã trình bày ở mục 5.1.2 Nối đất an toàn và làm việc cho hệ thống điện lựa chọn sơ đồ
nối đất TN-S cho công trình.
Theo TCVN 4756:1989 Quy phạn nối đất và không nối đất thiết bị điện, điện trở của trang
bị nối đất nối với điểm trung tính máy biến áp hoặc máy phát hoặc đầu ra của nguồn điện
một pha ở bất kỳ thời điểm nào trong năm không được lớn hơn 4 đối với điện áp ba pha 380V.
Để đạt được điện trở ứng với yêu cầu như tiêu chuẩn, sử dụng bãi cọc tiếp địa bao gồm:
Hai thanh đồng trần có kích thước 40x4mm dài 10m và 10 cọc đồng D16 dài 2.4m. Mỗi lOMoAR cPSD| 61552889
thanh đồng hàn hoá nhiệt với 5 cọc đồng và hai thanh được kết nối với nhau qua cáp đồng
trần 50mm2. Hệ thống chôn sâu cách mặt đất 80cm tính từ thah đồng đến mặt đất.
Hình: Hệ thống nối đất an toàn và làm việc
Điện trở tản của hệ thống được tính toán như sau:
Đầu tiên xác định điện trở suất của đất tại khu vực chôn cọc, do vị trí của toà nhà gần với
sông Hồng nên tạm lựa chọn điện trở suất là tương ứng với đất vườn tại Bảng 4.1/tr126
Sách chống sét cho nhà và công trình. Thời tiết theo từng mùa trong năm có ảnh hưởng lớn
tới điện trở suất của đất, để đảm bảo tính toán chính xác cần nhân thêm hệ số mùa đối với
điện trở suất của đất:
Áp dụng công thức tính điện trở của thanh dẫn, có điện trở thanh đồng 40x4mm dài 10m, chôn sâu 80cm là:
Tương tự, có điện trở của một cọc D16 dài 2.4m chôn sâu 2m tính từ tâm cọc đến đất là:
Do có cả thanh và cọc kết hợp nên điện trở tổng hợp của hệ thống là:
Với hệ số dử dụng cọc và hệ số sử dụng thanh lần lượt được tra trong bảng Bảng 6-2/tr163
và Bảng 6-4/tr16 - Sách chống sét cho nhà và công trình.
Điện trở thu được 2.98 < 4 tuân theo TCVN 4756:1989. ii. Nối đất chống sét
Theo TCVN 9385:2012 về bảo vệ chống sét cho công trình xây dựng, điện trở nối đất của
hệ thống chống sét đánh trực tiếp phải nhỏ hơn 10Ω, không tính đến các thành phần nối đất
tự nhiên như móng bê tông cốt thép hay hệ thống kim loại ngầm. Yêu cầu này nhằm đảm
bảo khả năng tản dòng sét hiệu quả, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng thiết bị và đảm bảo an
toàn cho con người cũng như công trình.
Để đáp ứng yêu cầu trên, hệ thống tiếp địa được thiết kế với một thanh đồng trần có kích
thước 40x4mm, dài 10m, kết hợp với 5 cọc đồng đường kính D16, mỗi cọc dài 2,4m. Toàn
bộ hệ thống được chôn sâu 80cm so với mặt đất tính từ mặt trên của thanh đồng.
Hình: Hệ thống nối đất chống sét
Tương tự như hệ thống nối đất làm việc và an toàn, có điện trở của thanh dẫn là 11.67Ω,
điện trở của một cọc đồng là 33.45Ω. Như do khác nhau về quy cách nên điện trở tản của
hệ thống nối đất chống sét là: lOMoAR cPSD| 61552889
Với hệ số dử dụng cọc và hệ số sử dụng thanh lần lượt được tra trong bảng Bảng 6-2/tr163
và Bảng 6-4/tr16 - Sách chống sét cho nhà và công trình. Điện trở thu được 5.96 < 10 tuân theo TCVN 9385:2012