kim thu sét

Tìm hiểu về các loại kim thu sét

Mùa mưa bão đến gần, hiện tượng sấm sét kèm theo trong các trận bão lớn gây ảnh hưởng trực tiếp đến người và tài sản của cá nhân, doanh nghiệp.

Để phòng tránh điều này người ta thương lắp đặt hệ thống chống sét tại các tòa nhà nơi hay xảy ra sấm sét, nhất là đối với các tòa nhà cao tầng.
Kim thu sét là một trong những thiết bị được sử dụng khá nhiều trong toàn bộ hệ thống chống sét.
Vậy tác dụng của kim thu sét là gì và chúng hoạt động ra sao chúng ta cùng nhau tìm hiểu dưới đây.

Kim thu sét liva
Khi sét đánh luôn tạo ra điện trường trên mặt đất và điện trường này tăng nhanh khi “tia tiên đạo đi xuống” tiến gần. Khi tia này tiến tới một mức nhất định – từ 50 đến 100 kv/m - hiệu ứng điện hoa hình thành tự nhiên trên nóc trình cho phép phóng điện – được gọi là tia tiên đạo đi lên – phóng lên phía đám mây (xem phần trước về hiện tượng sét). Vị trí của đường i-on hóa cho phép dòng sét đi qua được xác định là vị trí tia tiên đạo đi lên tiếp xúc tia tiên đạo phóng xuống đầu tiên từ đám mây.

Thực tê, nhân viên bán hàng hay nhà thiết kế khi trình bày phạm vi bảo vệ của ESE chỉ đề cập tới bán kính bảo vệ (Rp) và dường như không có giải thích nào thêm cho con số này. Điều này gây ra những hiểu lầm đáng tiếc khi thiết lập hệ thống chống sét trực tiếp vì đã bỏ qua việc xem xét các yếu tố quan trọng liên quan như chiều cao h, hình thể cấu trúc cần bảo vệ,… . Bài viết này nhằm diễn dải chi tiết phương pháp xác định phạm vi bảo vệ của một kim thu sét chủ động theo tiêu chuẩn đang được áp dụng phổ biến hiện nay là NFC 17102 cùng một ví dụ thực tế.

kim thu sét


Hoạt động của hệ thống kim thu sét
Khi có hiện tượng phóng điện khi có sét sẽ hình thành các đường dẫn sét xuống mặt đất, tại đầu kim thu sét tạo nên một sự sai biệt lớn về điện thế giữa đám mây và đầu kim từ đó tạo ra một tia tiên đạo phát xạ sớm phát thẳng từ đám mây hướng vào đầu kim thu sét mà không đánh vào các vùng khác.
Trước đây kim thu sét là một thanh sắt hay thanh kim loại (gọi là kim cổ điển) được trên mái của công trình và có dây dẫn xuống hệ thống tiếp đất. Với dạng cổ điển thụ động này, sét đánh vào đầu kim, sau đó truyền xuống dây dẫn sét và chuyển nhanh xuống đất theo hệ thống tiếp đất.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, người ta đã nghiên cứu chế tạo các loại kim thu sét hiện đại hơn, có thể chủ động bắt sét không cho nó đánh vào vật hoặc công trình cần bảo vệ. Các loại này hoạt động

Các khái niệm:
Hệ thống chống sét
Hệ thống hoàn chỉnh được sử dụng để bảo vệ cấu trúc và các khu vực mở chống lại các tác động của sét. Nó bao gồm một cài đặt chống sét trực tiếp và một cài đặt bảo vệ chống sét lan truyền, nếu có.
Đầu phát xạ kim thu sét (ESE)
Một cột thu lôi được trang bị hệ thống kích hoạt sớm dòng ion hướng lên khi so sánh với cột thu lôi đơn giản (SR) ở cùng điều kiện.
Quá trình kích hoạt sớm
Hiện tượng vật lý với sự khởi đầu của vầng hào quang (corona) và tiếp lan truyền theo hướng lên trên.
Thời gian kích hoạt sớm (ΔT)
Thời gian của ESE đạt được tia hướng lên khi so sánh với một SR trong cùng điều kiện và phương pháp đánh giá. Giá trị này được diễn dải bằng  µs.
Thời gian kích hoạt sớm (ΔT) được dùng để xác định các bán kính bảo vệ. Điều này được thể hiện như sau:
∆T = TSR – TESE  
Trong đó:
·         TSR là thời gian kích hoạt tia tiên đạo của kim thu sét cổ điển SR.
·         TESE là thời gian kích hoạt tia tiên đạo của kim thu sét ESE.
«  ∆T ≤ 60µs trong công thức của NFC 17102, và nếu ∆T lớn hơn thì quy về 60µs để tính (tham khảo thêm tại đây)
Cấp bảo vệ (D)
Phân loại của một hệ thống bảo vệ chống sét thể hiện sự hiệu quả của nó, và có 4 cấp độ:
Cấp bảo vệ (D)
    

kim thu sét


Khả năng bảo vệ (Ei)
    
Bán kính hình tròn lăn (R - khoảng cách giữa tia sét và kim ESE)
    
Giá trị dòng sét thấp nhất I (kA)
Các thông số đặc trưng và các hiệu ứng liên quan của sét.
Các thông số đặc trưng:
·         Cường độ
·         Thời gian tăng
·         Thời gian suy giảm
·         Sự thay đổi tỷ lệ hiện tại (di/dt)
·         Phân cực (âm hay dương)
·         Năng lượng cụ thể
·         Số nhánh của tia sét
Các ứng liên quan:
·         Hiệu ứng quang
·         Hiệu ứng âm thanh
·         Hiệu ứng điện hóa học
·         Ảnh hưởng nhiệt
·         Bức xạ điện từ
·         Hiệu ứng điện năng.



Phạm vi bảo vệ
Lưu ý:
   v  Ở đây ta tính phạm vi bảo vệ của thiết bị ESE nên chiều cao h tối thiểu để tính là 2m và lớn nhất là 60m theo đúng tiêu chuẩn NFC 17102.
   v  Nên áp dụng cấp bảo vệ level I (D = 20m).
   v  ∆T ≤ 60µs.
Phạm vi bảo vệ được bao trùm bởi một vòng cung có trục là ESE và bán kính bảo vệ được xác định dựa trên độ cao h đang được xem xét.
 Hình 1: mối quan hệ giữa bán kính bảo vệ R và chiều cao h

Độ cao h là khoảng cách của đỉnh ESE so với mặt phẳng ngang đi qua đỉnh phần tử được bảo vệ.
Bán kính R là bán kính bảo vệ của ESE ở độ cao đang được xem xét.
Bán kính bảo vệ (Rp)
Bán kính bảo vệ của ESE có liên quan đến chiều cao của nó so với các khu vực được bảo vệ, thời gian phát tia tiên đạo ∆T và cấp độ bảo vệ được lựa chọn (xem phụ lục A – NFC 17102). Mối quan hệ được thể hiện bằng công thức sau:
     với h ≥5m. (CT 1)
    Nếu 2m ≤ h < 5m, tra bảng 2.2.3.3a (cho Level I), b(Cho Level II), c (cho Level III) tại các trang 13, 14, 15 của tiêu chuẩn NFC 17102.
Trong đó:
 D(m): là khoảng cách giữa tia tiên đạo của sét và đầu tia tiên đạo của kim thu sét hay bán kính hình cầu lăn.
D của kim thu sét cổ điển
D của kim thu sét ESE
 ΔL: là độ dài (quãng đường) của tia tiên đạo.
·         ∆L(m) = v(m/µs)×∆T(µs)                 (CT 2)
·         v = vup = vdown = 1 m/µs (vận tốc trung bình đo được của tia tiên đạo)
·         ∆T: xem tại phụ lục C – NFC 17102.
VD: PHẦN DIỄN DẢI PHẠM VI BẢO VỆ KIM THU SÉT CHỦ ĐỘNG INGESCO PDC 6.4 CHO CÔNG TRÌNH MOBIFONE – ĐÀ NẴNG
Các chỉ số có sẵn như sau:
·         Công trình có độ cao dưới 60m
·         Công trình áp dụng bán kính bảo vệ cấp I với D = 20m
·         Kim thu sét INGESCO PDC 6.4 có ∆T(µs) = 60 µs nên ta có ∆L(m) = v(m/µs)×∆T(µs) = 1x60 = 60 (met).
Tại công trình Mobifone – Đà Nẵng có ba độ cao cần tính toán, bao gồm:
·         H1= 2m là độ cao từ mũi kim thu sét so với đỉnh tháp thang máy.
·         H2 = 4m là độ cao từ mũi kim thu sét so với đỉnh mái (chân đế kim thu sét).
·         H3 = 38,8m là độ cao từ