Chống sét: Nguyên nhân - giải pháp chống sét - thiết bị chống sét
CHỐNG SÉT: NGUYÊN NHÂN - GIẢI PHÁP CHỐNG SÉT - THIẾT BỊ CHỐNG SÉT
A. NGUYÊN NHÂN HÌNH THÀNH SÉT
1/ Nguyên nhân hình thành sét :
Trong những năm qua, cứ mỗi khi mùa mưa đến, ngoài việc chuẩn bị các biện pháp phòng chống bão lụt chúng ta còn phải quan tâm đến một hiện tượng thiên nhiên khác có tác hại nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và con người - đó là dông sét. Có thể hiểu nôm na rằng sét là sự phóng điện giữa đám mây dông và một điểm nào đó trên mặt đất khi điện trường khí quyển đạt đến một giá trị tới hạn. Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nên dòng điện sét thường rất lớn khoảng 30kA, do đó nếu một công trình nào đó bị sét đánh thì phần kiến trúc của công trình đó có thể bị phá vỡ do ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ phát tán cao, các thiết bị điện trong công trình có thể bị hỏng do trường điện từ của dòng sét cảm ứng và con người có thể bị tổn thương nếu ở gần điểm phóng điện sét. Trong thực tế đã xảy ra nhiều trường hợp một cơn phóng điện sét đã làm cho hàng chục người bị thương và chết (xảy ra ở xã Hiệp Thành - Bạc Liêu) còn những vụ sét làm chết người hàng năm thì xảy ra liên tục khắp nơi nhất là các vùng trọng điểm như Đồi Rìu, Bàu Sầm, Bảo Vinh ....thuộc Huyện Long Khánh - Đồng Nai, các xã vùng sâu thuộc Huyện Đức Linh, Hàm Tân - Bình Thuận, hoặc một số xã thuộc các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, ngay tại TpHCM năm nào cũng xảy ra vài trường hợp tử vong do phóng điện sét.
Cơ chế hình thành một cơn sét nói chung khá phức tạp, có nhiều công trình nghiên cứu về quá trình nhiễm điện của một đám mây dông cũng như cơ chế phát triển của tia sét hướng xuống đất, ngoài ra cũng còn nhiều vấn đề khác liên quan đến sét và chúng tôi mong rằng sẽ có dịp được trình bày chi tiết hơn trong các bài báo khác, ở đây chúng tôi chỉ xin đề cập đến một giả thuyết phổ biến nhất để giải thích nguyên nhân tạo dông sét như sau :
Dông là hiện tượng khí quyển liên quan với sự phát triển mạnh mẽ của đối lưu nhiệt và các nhiễu động khí quyển, nó thường xảy ra vào mùa hè là thời điểm mà sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất và không khí rất lớn. Những luồng không khí nóng mang theo hơi nước bay lên đến một độ cao nào đấy và nguội dần, lúc đó hơi nước tạo thành những giọt nước nhỏ hay gọi là tinh thể băng chúng tích tụ trong không gian dưới dạng những đám mây. Trái đất càng bị nóng thì không khí nóng càng bay lên cao hơn, mây càng dày hơn đến một lúc nào đó thì các tinh thể băng trong mây sẽ lớn dần và rơi xuống thành mưa. Mây càng dày thì màu của nó càng đen hơn. Sự va chạm của các luồng khí nóng đi lên và các tinh thể băng đi xuống trong đám mây sẽ làm xuất hiện các điện tích mà ta gọi là đám mây bị phân cực điện hay đám mây tích điện. Các phần tử điện tích âm có khối lượng lớn nên nằm dưới đáy đám mây còn các phần tử điện tích dương nhẹ hơn nên bị đẩy lên phần trên của đám mây.
Như vậy trong bản thân đám mây đã hình thành một điện trường cục bộ của một lưỡng cực điện và dưới tác dụng của điện trường cục bộ này các phần tử sẽ di chuyển nhanh hơn, điện tích được tạo ra nhiều hơn và điện trường càng mạnh hơn. Quá trình này tiếp diễn cho đến lúc điện trường đạt giá trị tới hạn và gây ra phóng điện nội bộ trong đám mây mà ta gọi là chớp.
Ngoài ra khoảng không gian bên dưới đám mây thường có một lớp điện tích dương gọi là điện tích không gian vì vậy giữa phần đáy đám mây mang điện âm và lớp điện tích dương này lại hình thành một điện trường riêng và chính điện trường này làm phát sinh một tia sét ban đầu gọi là dòng tiên đạo di chuyển xuống đất với tốc độ khoảng 150km/s. Trong quá trình phát triển xuống đất, dòng tiên đạo mang theo một điện thế rất lớn sẽ ion hoá lớp không khí trên đường đi của nó, nơi nào có cách điện không khí yếu thì dòng tiên đạo sẽ phát triển về hướng đó vì vậy ta thấy dòng tia sét đi xuống không phải là đường thẳng mà thường có dạng ngoằn ngoèo, phân nhánh. Ngoài ra do hiệu ứng cảm ứng điện nên phần mặt đất nằm bên dưới đám mây dông sẽ mang một lượng điện dương. Lượng điện này sẽ phân bố trên các vật có khả năng dẫn điện như nhà cửa, cây cối, công trình, trụ điện, tháp anten......, vật nào dẫn điện càng tốt thì điện tích phân bố trên vật đó càng lớn và điện trường của nó càng mạnh so với các vật xung quanh. Vì vậy, khi dòng tiên đạo phát triển xuống gần mặt đất thì nó sẽ chọn vật có điện trường mạnh nhất để đánh vào mà ta gọi là phóng điện sét, nơi tiếp xúc của chúng gọi là kênh sét. Đây là thời điểm trao đổi điện tích giữa đám mây và mặt đất được gọi là giai đoạn trung hoà điện tích, dòng điện trong kênh sét lúc này rất lớn có thể đến 200kA nên bị nóng lên rất mạnh khoảng 20.000oC và do đó ta thấy nó sáng chói lên (cũng được gọi là chớp). Dưới tác dụng của nhiệt độ này, lớp không khí chung quanh
kênh sét bị giãn nở mạnh gây ra tiếng nổ lớn mà ta gọi là sấm. Do ánh sáng có vận tốc lớn hàng triệu lần so với âm thanh nên ta thấy ánh chớp trước rồi sau đó một lúc mới nghe thấy tiếng sấm.
2/ Một số biện pháp phòng tránh sét thông dụng và hiệu quả :
Ở đây chúng ta cần phân biệt các loại sét khác nhau như sét đánh trực tiếp, sét đánh gián tiếp, sét cảm ứng.
- Sét đánh trực tiếp là sét đánh thẳng vào nhà cửa công trình hoặc đánh vào bồn nước kim loại hay trụ anten nằm trên công trình đó, đánh vào cây cối, đánh vào người đang di chuyển khi đang có dông .....Đây là loại sét nguy hiểm nhất vì nó có thể gây thiệt hại nặng nề cho công trình hoặc gây chết người.
- Sét đánh gián tiếp là sét đánh vào đường dây điện thoại, đường dây tải điện cao thế hoặc hạ thế ở một nơi nào đó rồi theo đường dây truyền vào công trình làm hư hỏng thiết bị điện đang sử dụng. Chúng ta thường thấy hiện tượng bóng đèn, điện thoại, TV, tủ lạnh .... bị cháy hoặc người đang gọi điện thoại bị điện giật mạnh sau một cơn dông sét tất cả là do ảnh hưởng của loại sét này.
- Sét cảm ứng bao gồm cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ. Sét cảm ứng tĩnh điện thường chỉ nguy hiểm cho các công trình có chứa chất dễ cháy nổ như xăng dầu, khí đốt do tác động của phóng điện thứ cấp còn sét cảm ứng điện từ chỉ nguy hiểm đối với các thiết bị hiện đại dùng các linh kiện điện tử nhạy với xung điện trong các công trình bưu điện, viễn thông, phát thanh truyền hình.
Một hệ thống chống sét hoàn chỉnh phải thể hiện đầy đủ các nội dung chống sét nói trên, tuy nhiên đối với đa số các hộ gia đình người ta thường chỉ quan tâm đến việc chống sét đánh trực tiếp.
Có nhiều biện pháp kỹ thuật phòng chống sét nhưng cho tới nay thì chưa có một thiết bị hoặc hệ thống chống sét nào đạt được hiệu quả tuyệt đối. Một mô hình chống sét thông dụng đã được công nhận là có hiệu quả trong một phạm vi giới hạn nhất định vẫn còn được sử dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới đó là hệ thống dùng kim thu sét cổ điển Franklin vì nó đã chứng minh khả năng bảo vệ với một độ tin cậy cho phép đã tồn tại hàng trăm năm qua. Kim thu sét Franklin là một thanh kim loại có đầu nhọn dài khoảng 3m được lắp tại nơi cao nhất trong khu vực cần bảo vệ, nó hoạt động theo nguyên lý phóng điện điểm, nghĩa là trong điện trường khí quyển của dông bão, kim thu sét này sẽ liên tục nhả điện tích vào vùng không gian do đó quanh đầu kim thu sét sẽ có điện trường cục bộ mạnh so với các điểm xung quanh và hình thành một tia lửa điện mồi (dòng mồi) nên nó dễ dàng thu hút dòng sét tiên đạo từ mây đi xuống, dòng điện sét này sẽ truyền từ kim qua hệ thống dây dẫn để đi xuống đất và tản nhanh trong đất nhờ bãi tiếp địa tản sét. Như vậy hệ thống chống sét sẽ tạo ra một phạm vi an toàn cho công trình mà nó bảo vệ . Tuy nhiên trong thực tế vẫn có hiện tượng sét đánh vào công trình đã có hệ thống chống sét mà người ta gọi là sét đánh vòng, do đó để đảm bảo an toàn chúng ta không nên tự lắp lấy hệ thống chống sét mà phải nhờ đến chuyên viên kỹ thuật tính toán thiết kế sao cho hệ thống đảm bảo các thông số kỹ thuật như phạm vi bảo vệ, điện trở tản sét, khả năng sét đánh vòng, khả năng phóng điện thứ cấp ....., có như thế thì hệ thống chống sét mới hoàn thành tốt nhiệm vụ của nó. Trong trường hợp ngược lại thì chính hệ thống đó là nguyên nhân dẫn đến các tai hoạ cho công trình và những người sống trong công trình đó.
3/ Lựa chọn đầu thu sét :
Theo đà tiến bộ của khoa học kỹ thuật, người ta đã nghiên cứu chế tạo các loại kim thu sét tích cực (thay cho loại kim thu sét cổ điển thụ động nêu trên) để chủ động bắt sét không cho nó đánh vào công trình cần bảo vệ. Hiện trên thị trường Việt Nam có gần một chục loại kim chủ động của các nước khác nhau như Mỹ, Pháp, Uc, Ý .....
Các loại kim thu sét này hoạt động dựa trên các nguyên lý làm việc khác nhau nhưng nói chung có thể chia làm hai loại chính :
a/ Loại phóng điện sớm: đó là các loại kim thu sét có đặc tính phát ra dòng mồi khá sớm khi điện trường khí quyển chưa đạt đến trị số tới hạn nghĩa là nó chủ động đón bắt dòng phóng điện sét ở một điểm nào đó trong không gian cách xa công trình mà nó bảo vệ. Chúng ta có thể hình dung là khi hoạt động thì kim thu sét như được kéo dài ra một đoạn gấp hàng chục lần chiều dài thực của chúng, đoạn này được gọi là độ cao ảo của kim thu sét và như thế chúng có phạm vi bảo vệ lớn hơn rất nhiều so với kim thu sét cổ điển ở cùng một độ cao.
b/ Loại phân tán điện tích: đó là các loại kim thu sét có đặc tính tạo ra một lớp điện tích không gian mang điện dương trong vùng khí quyển nằm bên trên đầu kim dựa trên nguyên lý phóng điện điểm . Trường tĩnh điện mây dông càng mạnh thì dòng phóng điện càng mạnh và lớp điện tích không gian càng nhiều, nó tác dụng như một màn chắn tĩnh điện làm cho điện trường giữa đám mây dông và đất yếu đi nghĩa là loại bỏ nguy cơ phóng điện sét.
Ngoài ra còn một dạng kết hợp của hai loại trên để tạo thành một hệ thống chống sét khác gọi là loại phóng điện trì hoãn. Loại này có ưu điểm làm tăng phạm vi bảo vệ nhưng lại rất tốn kém so với hai loại trên.
Trong gần 20 năm qua, chúng tôi đã nghiên cứu đặc tính kỹ thuật của trên 20 loại kim thu sét khác nhau gồm cả những loại chưa có mặt ở thị trường Việt Nam và cũng đã thiết kế thi công hàng trăm hệ thống chống sét cho nhiều chủng loại công trình khác nhau, nói chung về nguyên lý làm việc thì chúng có hiệu quả cao hơn nhiều so với loại kim thu sét cổ điển và mỗi loại có những ưu khuyết điểm khác nhau. Hơn nữa, do các loại kim thu sét chủ động chỉ mới phát triển mạnh tại Việt Nam trong vòng 5 năm trở lại nên phải cần có thêm thời gian để theo dõi và đánh giá xem loại kim nào đạt yêu cầu về chất lượng, độ bền và hiệu quả trong việc bảo vệ công trình trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như nước ta, ngoài ra giá cả cũng là một yếu tố cần quan tâm vì chúng không phù hợp lắm đối với đa số các hộ gia đình muốn lắp một hệ thống chống sét riêng cho nhà của mình.
Tóm lại như đã trình bày ở trên, một hệ thống chống sét ngoài kim thu sét còn có phần dẫn sét và bãi tiếp địa tản dòng sét trong đất mà đây là các phần không dễ dàng lắp đặt nhất là đối với nhà cửa công trình thuộc các khu đô thị . Dây dẫn sét có tác dụng chuyển tải dòng sét xuống đất dễ dàng, nó phải chịu được nhiệt độ phát nóng cục bộ để không bị biến dạng . Bãi tiếp địa có nhiệm vụ tản nhanh dòng sét trong đất để tránh điện áp cao tồn tại trên hệ thống chống sét tức là phòng tránh hiện tượng phóng điện thứ cấp và ảnh hưởng của điện áp bước, đó là các yếu tố nguy hiểm có thể làm hư hỏng công trình và gây chết người. Do đó ta thấy rằng một khi hệ thống chống sét không đạt chất lượng kỹ thuật thì thật là tai hoạ cho chúng ta khi có sét đánh vào công trình. Vì vậy nếu các bạn có yêu cầu lắp đặt hệ thống chống sét thì có thể liên hệ với chúng tôi để được hướng dẫn cụ thể bằng cách dựa vào đặc điểm thực tế tại công trình của bạn như điện trở suất đất, đặc tính địa lý của vùng, vị trí lắp đặt và cấu trúc bãi tiếp địa, khoảng cách an toàn trong không khí và trong đất ...... hầu đạt được một hệ thống chống sét phát huy hết khả năng của chúng trong việc bảo vệ an toàn cho công trình và những người sống trong công trình đó.
Nguồn: Phân Viện Nghiên Cứu Khoa Học
B. GIẢI PHÁP HỆ THỐNG CHỐNG SÉT
PHÂN LOẠI CÁC DẠNG CHỐNG SÉT
I/ CHỐNG SÉT ĐÁNH THẲNG :
1. Chống sét đánh thẳng bằng công nghệ kim cổ điển . Cấu hình của loại này gồm có 3 phần :
a) Các đầu kim thu sét: Thường làm bằng thép mạ đồng , đồng thau đúc hoặc bằng inox. Lựa chọn chiều dài của kim còn phụ thuộc vào cấu trúc của công trình cần được bảo vệ .
b) Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dòng sét từ các đầu kim thu đến hệ thống tiếp đất. Thường làm bằng đồng lá hoặc cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chẩn quốc tế ( NFC 17 102 của Pháp ) từ 50mm2 đến 75mm2.
c) Hệ thống tiếp đất: Dùng để tản dòng điện sét trong đất.
Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm :
- Các cọc tiếp đất : thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét . Đường kính ngoài thường là 14 – 16mm . Được chôn thẳng đứng & cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét . Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét .
- Dây tiếp đất : thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75mm2 dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau . Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét .
- Ốc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt CADWELD : dùng để liên kết dây tiếp đất & các cọc tiếp đất với nhau.
2. Chống sét đánh thẳng bằng công nghệ tiêu tán đám mây điện tích không cho hình thành tia tiên đạo sét (dissipation array system).
Công nghệ này hiện nay ở Việt Nam rất ít sử dụng vì giá thành cao, chỉ được ứng dụng vào một số công trình cần thiết. Các hãng sản xuất như: LEC – USA, LIGHTNING PREVECTION SYSTEM – USA . Cấu hình của loại này gồm có 3 phần:
a) Các đầu phát ion dương: Thường làm bằng thép mạ đồng hoặc bằng inox . Các đầu phát ion dương có dạng quả cầu nhiều gai, dạng cái dù nhiều gai , hoặc dạng cánh dơi nhiều gai
b) Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dòng ion dương từ mặt đất đi lên các thiết bị phát ion dương . Thường làm bằng cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chẩn quốc tế ( nfc 17 102 của pháp ) từ 50mm2 đến 75mm2 .
c) Hệ thống tiếp đất: Dùng để tản dòng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm:
- Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét . Đường kính ngoài thường là 14 – 16mm. Được chôn thẳng đứng & cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét . Khoảng cách giữa cọc với cọc từ 3 đến 15 mét .
- Dây tiếp đất : thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75mm2 dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau. Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét . Yêu cầu dây cáp tiếp đất này phải được nối thành một mạch vòng kín trước khi nối với dây dẫn sét.
- Ốc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt cadweld: dùng để liên kết dây tiếp đất & các cọc tiếp đất với nhau.
3. Chống sét đánh thẳng bằng công nghệ phát tia tiên đạo sớm (Early Streamer Emission) .
Các hãng sản xuất : INDELEC – PHÁP, SATELIT – PHÁP, HELITA – PHÁP, POUYET – PHÁP, PARATONNORRES – PHÁP, ERICO – ÚC. INGESCO – TÂY BAN NHA. Cấu hình của loại này gồm có 3 phần :
a) Đầu thu lôi: Dùng để phát tia tiên đạo đi lên thu hút sét về nó. Đầu thu lôi được gắn trên trụ đỡ có độ cao trung bình là 5 mét so với đỉnh của công trình cần được bảo vệ.
b) Dây dẫn sét: Dùng để dẫn dòng sét từ đầu thu lôi đến hệ thống tiếp đất . Thường làm bằng đồng lá hoặc cáp đồng trần, tiết diện của dây dẫn được quy định theo tiêu chẩn quốc tế (nfc 17 102 của pháp) từ 50mm2 đến 75mm2.
c) Hệ thống tiếp đất: Dùng để tản dòng điện sét trong đất. Cấu hình của hệ thống tiếp đất này gồm: - Các cọc tiếp đất: thường dài từ 2,4 mét đến 3 mét. Đường kính ngoài thường là 14 – 16mm. Được chôn thẳng đứng & cách mặt đất từ 0,5 đến 1 mét . Khoảng cách cọc với cọc từ 3 đến 15 mét. - Dây tiếp đất: thường là cáp đồng trần có tiết diện từ 50 đến 75mm2 dùng để liên kết các cọc tiếp đất này lại với nhau. Cáp này nằm âm dưới mặt đất từ 0,5 đến 1 mét. - Ốc siết cáp hoặc mối hàn hoá nhiệt cadweld: dùng để liên kết dây tiếp đất & các cọc tiếp đất với nhau.
