I. Sét là gì?
Sét là một hiện tượng trong tự nhiên, được tạo nên do sự phóng điện giữa các đám mây mang điện tích trái dấu hoặc giữa các đám mây và một điểm trên mặt đất hoặc trong nội bộ một đám mây khi điện trường khí quyển đạt đến một giá trị nhất định. Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm nên chịu nhiều ảnh hưởng của sét. Khi hai đám mây mang điện tích trái dấu ở gần sẽ phóng điện tích tạo ra các tia hồ quang điện.
Ánh sáng phát ra từ hiện tượng đó gọi là tia sét. Nếu các đám mây bay gần mặt đất và gặp môi trường dẫn điện thuận lợi chẳng hạn như các tòa nhà, nhà máy,… có độ cao hơn so với các khu vực lân cận thì sẽ có hiện tượng phóng tia lửa điện giữa đám mây và mặt đất. Đó là hiện tượng sét đánh. Dòng sét thường có cường độ rất lớn, mang theo nhiệt độ rất cao, có thể gây ra các hiểm họa như cháy, nổ dẫn đến phá hỏng các công trình xây dựng, điện lực, giao thông, thủy lợi, nhà máy công nghiệp,... Các thiết bị điện, điện tử trong công trình cũng có thể bị phá hỏng do trường điện từ của dòng sét cảm ứng hoặc do dòng sét lan truyền. Trong thực tế hàng năm sét đã phá hoại nhiều công trình và là thiên tai gây nên cái chết cho con người.
II. Phân loại sét đánh và mục đích bảo vệ
1. Phân loại sét đánh
Dựa vào vị trí và đặc tính của sét đánh, người ta phân biệt ra làm ba loại sét khác nhau, đó là sét đánh trực tiếp, sét đánh gián tiếp và sét cảm ứng.
- Sét đánh trực tiếp là loại sét đánh thẳng vào tòa nhà, nhà máy,… ở những nơi có vị trí cao hơn so với mặt bằng xung quanh. Đây là loại sét đánh nguy hiểm nhất. Do dòng sét đánh trực diện vào công trình, nhà cửa và con người với cường độ và nhiệt độ rất cao nên gây nên sự phát hủy rất lớn.
- Sét đánh gián tiếp là loại sét đánh vào đường dây điện, dây điện thoại,…ở một nơi nào đó rồi lan truyền theo đường dây vào công trình làm hư hỏng thiết bị điện, điện tử, công nghệ thông tin được kết nối với dây.
- Sét cảm ứng được chia làm hai loại là cảm ứng tĩnh điện và cảm ứng điện từ. Sét cảm ứng tĩnh điện sẽ tạo ra các tia lửa điện nhỏ và dễ dàng gây ra các thảm họa cháy, nổ khi nó tiếp xúc với các môi trường như xăng dầu, hóa chất, khí đốt,.... Sét cảm ứng điện từ có thể tạo ra những xung điện, sóng hài gây nguy hiểm đối với các thiết bị điện tử.
2. Mục đích bảo vệ sét đánh cho nhà máy
Nhà máy sản xuất là nơi mà các hệ thống, thiết bị điện, điện tử, nhiệt lạnh, cơ khí, công nghệ thông tin, điều khiển và tự động hóa hoạt động liên tục. Ngoài ra, nhà máy cũng là nơi tập trung nhiều các nguồn nguyên vật liệu và thành phẩm dễ gây cháy nổ như dầu, gas, khí, hộp carton,... Các hệ thống, thiết bị này lại dễ bị phá hỏng bởi các quá điện áp do xung sét lan truyền từ các đường dây điện, viễn thông, điều khiển gây ra bởi các loại sét cảm ứng, cũng như sự phá hủy bởi sét đánh trực tiếp. Vì vậy, việc xây dựng một phương pháp phòng chống sét cho hệ thống nhà xưởng, nhà máy là công việc quan trọng và cần thiết. Việc trang bị hệ thống chống sét trực tiếp và lan truyền cho nhà xưởng, nhà máy sẽ đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị. Đồng thời đảm bảo cho các hoạt động sản xuất, giao dịch và cung cấp dịch vụ cho khách hàng được hoạt động liên tục, hiệu quả, giảm thiểu các thiệt hại về nhân lực và tài sản.
III. Giải pháp chống sét và phương án lựa chọn thiết bị
Quy trình triển khai một dự án hệ thống chống sét cũng tương tự như triển khai các hệ thống công nghệ khác bao gồm các bước là: khảo sát, thiết kế hệ thống; thi công hệ thống; kiểm định và nghiệm thu hệ thống. Một hệ thống chống sét thường được thiết kế trên cơ sở tham khảo một số các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới, căn cứ vào địa hình, điện trở đất, loại công trình cần được bảo vệ,.... Căn cứ vào các loại sét đánh, các tiêu chuẩn chống sét, ta có thể phân thành hai loại giải pháp/hệ thống chống sét cho các công trình, nhà xưởng, nhà máy. Thứ nhất là hệ thống chống sét đánh trực tiếp hay còn gọi là hệ thống bảo vệ vòng ngoài. Đây là mức bảo vệ cao nhất. Thứ hai là hệ thống chống sét lan truyền hoặc hệ thống bảo vệ vòng trong với hai mức bảo vệ là cắt sét và lọc sét.
1. Hệ thống chống sét đánh trực tiếp
Hệ thống chống sét đánh trực tiếp có mức bảo vệ cao và thường được thiết kế để bảo vệ vòng ngoài cho toàn bộ nhà xưởng, nhà máy như các khu nhà xưởng, khu văn phòng, trạm xử lý nước, xử lý nước thải, silo, tank, ống khói,… Dưới đây là một số giải pháp chống sét trực tiếp được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
- Giải pháp dùng lồng Faraday
Giải pháp này tạo ra một hệ thống bảo vệ được hình thành từ một mạng lưới kim loại dày bao quanh khu vực cần bảo vệ (lồng Faraday). Mạng lưới kim loại này được nối bởi các dây dẫn đến khu vực tiếp địa. Khi sét đánh vào lồng bảo vệ này thì sẽ được thoát xuống bãi tiếp địa thông qua các dây dẫn để trung hòa dòng sét. Giải pháp này thích hợp cho các khu vực thường xuyên có tia sét xuất hiện hoặc các khu bảo tàng, lịch sử.
- Giải pháp dùng kim cổ điển Franklin
Giải pháp này tạo ra một hệ thống bảo vệ cho một khu vực nằm trong bán kính tương đương với chiều cao từ mặt bằng cần bảo vệ đến đầu của kim thu sét. Kim thu sét loại cổ điển là một thanh kim loại dẫn điện tốt có đầu nhọn dài, được lắp tại những nơi cao nhất trong khu vực cần bảo vệ. Kim thu sét này tạo ra một vùng điện trường lớn hơn những vùng xung quanh để chủ động thu hút dòng sét tiên đạo từ đám mây đi xuống. Thông qua dây dẫn, dòng sét sẽ được thoát xuống bãi tiếp địa để trung hòa và tiêu tán năng lượng, tạo ra sự an toàn cho công trình cần bảo vệ. Giải pháp này thích hợp cho các khu vực cần bảo vệ có chiều cao vượt hơn hẳn so với mặt bằng xung quanh.
- Giải pháp dùng kim thu sét phóng điện sớm
Giải pháp này cũng là giải pháp chủ động thu hút sét nhưng sử dụng kim thu sét là loại hiện đại, có khả năng phóng điện sớm. Đặc tính của các loại kim này là nó phát ra dòng mồi khá sớm khi điện trường khí quyển chưa đạt đến trị số tới hạn. Điều này có nghĩa là nó chủ động đón bắt dòng sét ở một điểm nào đó trong không gian cách xa công trình mà nó bảo vệ. Tùy từng loại kim thu sét, chiều cao lắp đặt của kim so với mặt bằng cần bảo vệ mà ta có thể tính được bán kính bảo vệ của kim thu sét (bán kính của khu vực được bảo vệ). Đây là giải pháp hiện tại thường được sử dụng để bảo vệ các nhà xưởng, nhà máy và các tòa nhà cao tầng.
Một hệ thống chống sét sử dụng kim chống sét cổ điển hay hiện đại đều phải có đầy đủ ba phần chính: kim chống sét, dây dẫn sét và hệ thống tiếp địa (nối đất).
- Kim chống sét là điểm đầu tiên tiếp nhận tia sét. Tùy vào yêu cầu của từng công trình cụ thể ta sẽ chọn loại kim phù hợp. Trên thị trường có nhiều loại kim thu sét phóng điện sớm của các hãng như Ingesco, Liva, LPI,…
- Dây dẫn sét có tác dụng chuyển tải dòng sét xuống đất dễ dàng và phải chịu được nhiệt độ phát nóng cục bộ để không bị biến dạng. Ta có thể chọn cáp đồng thoát sét loại có tiết diện 50mm² trở lên hoặc cáp thoát sét chống nhiễu chuyên dụng.
- Hệ thống nối đất đóng vai trò rất quan trọng trong việc trung hòa dòng sét, đảm bảo hiệu quả bảo vệ của hệ thống chống sét. Các thiết bị của hệ thống nồi đất bao gồm các cọc nối đất bằng thép bọc đồng, cáp đồng thoát sét và hóa chất làm giảm điện trở đất. Để kết nối các cọc đồng tiếp đất và dây đồng trần thoát sét, ta sử dụng các mối hàn hóa nhiệt. Mối hàn này có tác dụng dẫn dòng điện (tốt hơn cả dây dẫn), không bị lão hóa, bị ăn mòn trong một thời gian dài. Hóa chất làm giảm điện trở được pha trộn lẫn nhau trong nước và đổ lên vùng chôn các điện cực để tạo ra một lớp khô cứng đồng nhất. Lớp hóa chất này sẽ có tác dụng làm giảm thấp điện trở hệ thống tiếp đất; không bị rửa trôi và bền vững ( không đòi hỏi phải bảo trì) trong nhiều năm; giúp hệ thống cọc tiếp đất chống lại sự ăn mòn của môi trường tự nhiên. Sử dụng hóa chất giảm điện trở đất và hàn hóa nhiệt, các hệ thống tiếp đất chống sét phải đảm bảo yếu tố có tổng trở nhỏ hơn10 Ohm đối với chống sét trực tiếp và nhỏ hơn 4 Ohm đối với chống sét lan truyền.
Ngoài các thành phần như trên, một hệ thống chống sét trực tiếp có thể trang bị thêm các thiết bị đếm sét và hộp kiểm tra điện trở.
2. Hệ thống chống sét lan truyền
Hệ thống chống sét lan truyền là hệ thống bảo vệ các thiết bị bên trong nhà xưởng, nhà máy với hai mức là bảo vệ cắt sét và lọc sét. Trong thực tế, sét lan truyền theo đường cấp nguồn là nguyên nhân chính gây ra hư hỏng các thiết bị dùng điện. Do vậy, biện pháp để bảo vệ các thiết bị này là sử dụng các hệ thống cắt sét và lọc sét cho tất cả các đường nguồn cấp điện và các hệ thống, dây chuyền của nhà xưởng, nhà máy. Biên độ xung sét và năng lượng của dòng sét sẽ bị cắt giảm khi nó chạy qua các thiết bị cắt sét. Khi dòng sét lan truyền đi qua các thiết bị lọc sét thì tốc độ biến thiên dòng và áp và biên độ xung sét của nó cũng sẽ bị cắt giảm. Thông thường, với một hệ thống chống sét lan truyền thì biên độ tín hiệu điện áp ở ngõ ra không được vượt quá 240V và tốc độ biến thiên của điện áp không được vượt quá 5V/ms.
Khi lựa chọn thiết bị cắt sét và lọc sét cho hệ thống chống sét lan truyền trên đường cấp nguồn cho nhà xưởng, nhà máy cần chú ý các đặc tính sau:
- Biên độ xung sét cực đại của thiết bị lọc sét;
- Điện áp vận hành định mức của thiết bị lọc sét;
- Dòng điện vận hành định mức của thiết bị lọc sét;
- Số pha cần bảo vệ;
- Cấu hình bảo vệ
- Khả năng cắt xung;
- Khả năng hiển thị tình trạng làm việc của thiết bị.
Căn cứ vào các điều kiện chọn lựa thiết bị cắt lọc sét và các điều kiện vận hành, sơ đồ kết cấu mạng điện và thông số tải mạng điện sinh hoạt, các sơ đồ kết cấu của các hệ thống, thiết bị của nhà xưởng, nhà máy, một giải pháp chống sét lan truyền có hiệu quả cho toàn bộ nhà xưởng, nhà máy cần phải bao gồm:
- Chống sét lan truyền cho trạm biến áp;
- Cắt lọc sét cho tất cả các đường nguồn vào nhà xưởng, nhà máy;
- Cắt lọc sét đường nguồn cho các thiết bị sử dụng điện như: dây chuyền sản xuất, hệ thống IT, hệ thống thông tin liên lạc, hệ thống an ninh, trạm cân,…;
- Cắt lọc sét đường tín hiệu cho các thiết bị như: dây chuyền sản xuất, hệ thống IT, hệ thống thông tin liên lạc, hệ thống an ninh, trạm cân,…;
- Cắt lọc sét đường điều khiển cho các thiết bị như: dây chuyền sản xuất, trạm cân,…
Giải pháp chống sét nêu trên đảm bảo tính hiệu quả cao trong việc ngăn cản dòng sét lan truyền vào các hệ thống thiết bị bên trong nhà xưởng, nhà máy. Năng lượng sét khi đi qua các hệ thống này sẽ bị truyền dẫn và tiêu tán nhanh vào đất. Trong quá trình đề ra phương án chống sét, một nhà xưởng, nhà máy cần phải thực hiện đầy đủ các điểm nêu trên.
Tương tự như chống sét trực tiếp, một hệ thống chống sét lan truyền cũng bao gồm 3 phần:
- Thiết bị cắt, cắt lọc sét là thiết bị giúp loại bỏ, cắt giảm biên độ xung sét, đồng thời giảm tốc độ biến thiên dòng và áp của sét. Tùy thuộc vào thiết bị cần bảo vệ ta chọn thiết bị cắt, cắt lọc sét phù hợp. Trên thị trường có nhiều loại thiết bị cắt lọc sét của nhiều hãng như: LPI, Ingesco, Phonenix Contact,…
- Dây dẫn sét
- Hệ thống nối đất
Sét là một hiện tượng trong tự nhiên mà khi xuất hiện nó có thể gây ra những thiệt hại lớn về kinh tế cho các công trình xây dựng, nhà xưởng, nhà máy,… cũng như hiểm họa khôn lường cho con người. Để ngăn chặn và giảm thiểu các tổn thất không mong muốn do sét đánh gây ra, các nhà khoa học và kỹ sư đã nghiên cứu và phát triển ra nhiều giải pháp chống sét được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Việc đầu tư lắp đặt các hệ thống chống sét trực tiếp và lan truyền như vậy cho các nhà xưởng, nhà máy là cần thiết. Các hệ thống này khi được trang bị và đi vào hoạt động sẽ góp phần hạn chế tối đa thiệt hại do sét gây ra cho con người và thiết bị của nhà xưởng, nhà máy, đảm bảo cho hoạt động sản xuất và kinh doanh của nhà máy được hiệu quả và liên tục.
