Giáo trình an toàn chương trình trung cấp nghề điện

liệu cách điện có độ bền và chịu đựng lâu dài đối với tất cả những phần tử kim loại mà người dễ tiếp xúc. Ngăn cách trung gian để bảo vệ: ngăn cách các phần tử kim loại mà người dễ tiếp xúc, với các phần tử mà khi xảy ra sự cố có thể xuất hiện điện áp. Ngăn cách tăng cường để bảo vệ: tăng cường thêm lớp cách điện giữa các phần tử có điện áp và những phần tử mà người dễ tiếp xúc đến. Đa số thiết bị điện được thực hiện ngăn cách bảo vệ phụ để sao cho sự nguy hiểm được giảm đến mức tối thiểu. 3.2.3 Ngăn cách giữa vị trí của người và đất. Ngăn cách giữa vị trí của người và đất bằng cách phủ vật liệu cách điện lên trên nền và lên tất cả những phần tử kim loại. Phủ vật liệu cách điện cần phải thoả mãn những điều kiện sau: + Vật liệu cách điện phải đủ thoả mãn sức bền cơ và chịu được nhiệt. + Phải có kích thước đủ lớn, sao cho người ta chỉ tiếp xúc được với phần phủ bọc của trang bị điện mà không thể tiếp xúc được với phần vỏ của thiết bị. + Phần phủ phải được cố định. Để thực hiện ngăn cách vị trí, ta có thể sử dụng: cao su cách điện, gỗ khô, vật liệu dẻo hay những vật liệu tương tự khác có sức bên cơ, nhiệt... có điện trở suất lớn. Điện trở lớp ngăn cách vị trí người đứng gọi là Rs cần phải thoả mãn điền kiện: Rs Trong đó: + U: điện áp tổng đối với đất ở chỗ tiếp xúc. + Ing: dòng điện đi qua người được xem là không nguy hiểm. + Rng: điện trở của cơ thể người. Ta có: * Đối với tiếp xúc gián tiếp. Điện trở cơ thể người thường lấy là 3000, điện áp an toàn đặt lên người là 40V. Nếu điện áp 220V điện trở lớp ngăn cách ở vị trí người đứng là: Rs 3000 (W) Thực tế thường dùng các điều kiện sau: - Đối với thiết bị đặt bên trong nhà, khi tính toán Rs người ta lấy: Rng = 3000 và Ing = 0,0025 Ađ Ung = 3000.0,0025 = 0,1V Do đó điều kiện sẽ là: Rs (400.U - 3000). - Đối với thiết bị đặt bên ngoài hay trên các nền nhà. Rng = 1000, Ing = 0,010A đ Ung = 1000.0,01 = 10V Do đó điều kiện sẽ là: Rs (100.U - 3000). * Để bảo vệ đối với tiếp xúc trực tiếp. Điện trở người bằng 1000, thì Ung = 1000. 0,0025 = 2,5V, Với điện áp U = 220V, thì: Rs 1000 (W) ff 3.4. bảo vệ bằng cách ngăn cách với lưới cung cấp điện công cộng 3.4.1. Các nguyên tắc và điều kiện áp dụng. Bảo vệ bằng ngăn cách là một loại bảo vệ cho kết quả tốt, đặc biệt ở lưới điện có trung tính trực tiếp nối đất vì vậy được dùng rộng rãi. Để ngăn cách thường dùng các thiết bị sau: - Máy biến áp ngăn cách, thường có tỷ số biến đổi 1/1, điện áp thứ cấp < 380V (hình 6.9) . Hình 6.9: Máy biến áp ngăn cách BANC TB Tổ động cơ-máy phát, dùng cho một dụng cụ có dòng điện định mức < 15A. Để thực hiện bảo vệ bằng ngăn cách có hiệu quả cần chú ý các đặc điểm sau: - Một máy biến áp ngăn cách chỉ được nối đến một dụng cụ. - Sự ngăn cách của lưới và phần dụng cụ cần phải thực hiện sao cho, loại trừ được khả năng chạm đất. 3.4.2. Các điều kiện cần phải có đối với máy biến áp ngăn cách. Máy biến áp ngăn cách cần phải cấu tạo sao cho: Không gây sự cố, liên hệ điện giữa cuộn sơ và thứ cấp. Không có sự liện hệ điện giữa lõi thép và vỏ máy biến áp. Đối với máy biến áp ngăn cách có điện áp < 380V, điện áp để kiểm tra xuyên thủng cách điện là 2500V đối với phần sơ cấp của máy biến áp. Nếu máy biến áp được cấu tạo thêm lớp cách điện phụ để bảo vệ ở phần sơ cấp, thì giá trị điện áp kiểm tra phải nâng lên đến 4000V. 3.5. bảo vệ bằng cách cắt tự động phần tử bị sự cố ra khỏi lưới điện. Để loại trừ các phần tử bị sự cố ra khỏi lưới điện đảm bảo an toàn cho người, có thể dùng các bảo vệ rơle. Thường phân thành hai loại sơ đồ: 3.5.1. Cắt tự động khi xuất hiện điện áp tiếp xúc nguy hiểm. R T K1 CTT Rd D1 D2 1 2 3 Hình 6.10: Sơ đồ nguyên lý của bảo vệ tự động cắt mạch khi xuất hiện điện áp tiếp xúc nguy hiểm K RU Đ C Sơ đồ bảo vệ (hình 6.10): Trong đó: + Một Công tắc tơ với cuộn dây CTT. + Đ là nút ấn thường mở, dùng để khởi động sơ đồ. + C là nút ấn thường đóng,dùng để ngắt mạch khi không có sự cố. + K là tiếp điểm chính dùng để cung cấp nguồn cho thiết bị. + K1 là tiếp điểm phụ dùng để tự duy trì cho CTT. + RU là rơle điện áp, tác động xuất hiện điện áp tiếp xúc nguy hiểm. + T: kiểm tra sự làm việc của sơ đồ. + Hệ thống tiếp đất phụ Rd. + Dây dẫn bảo vệ D1: nối giữa rơle RU và vỏ thiết bị. + Dây dẫn phụ D2: để nỗi giữa cuộn rơle RU với hệ thống tiếp đất phụ Rd. Cuộn dây của rơle sẽ chịu một điện áp của vỏ thiết bị so với đất. + Tiếp điểm thường đóng RU của rơle bảo vệ sẽ nằm trong mạch của cuộn dây CTT, điều khiển sự làm việc của CTT. Khi ấn nút khởi động Đ, CTT tác động, thiết bị sẽ được cung cấp điện từ lưới điện qua tiếp điểm chính K. CTT được tự giữ qua tiếp điểm phụ K1, nút cắt C và tiếp điểm thường đóng RU. Nếu xuất hiện điện áp tiếp xúc vượt quá giá trị cho phép thì rơle bảo vệ RU sẽ tác động tiếp điểm thường đóng RU mở, do đó cuộn dây CTT mất điện và trả về. Những tiếp điểm động lực của khởi động từ nhả ra, loại thiết bị ra khỏi lưới. Nếu ấn nút kiểm tra T thì đã tạo ra điện áp tiếp xúc nguy hiểm, do đó nếu như sơ đồ bảo vệ làm việc đúng thì bảo vệ tác động. * Chú ý: Đối với thiết bị 1 pha mạch được thực hiện tương tự với điện áp đưa vào mạch bảo vệ là điện áp pha. * ưu nhược điểm của sơ đồ bảo vệ tự động điện áp tiếp xúc. + Bảo vệ sẽ không tác động nếu cuộn dây rơle được nối song song. + Bảo vệ sẽ không tác động ngay sau lần tác động trước, mà chỉ tác động sau một thời gian nào đó được xác định bởi quán tính làm việc của rơle bảo vệ và khởi động từ. + Bảo vệ khá phức tạp và tốn kém do phải thực hiện thêm hệ thống tiếp đất phụ. 3.5.2. Cắt tự động khi xuất hiện dòng điện sự cố nguy hiểm. Sơ đồ đơn giản và thông dụng của bảo vệ tự động dòng điện sự cố được gọi là sơ đồ tác động ở thành phần thứ tự không, được dùng khi lưới cách điện đối với đất. Hình 6.11: Sơ đồ bảo vệ so lệch của bảo vệ tự động cắt theo dòng điện sự cố. I2 Đ C Id K1 RI CTT K I1+Id IRL BI1 Sơ đồ bảo vệ (hình 6.11). Trong đó: + Một Công tắc tơ với cuộn dây CTT. + Đ là nút ấn thường mở, dùng để khởi động sơ đồ. + C là nút ấn thường đóng,dùng để ngắt mạch khi không có sự cố. + K là tiếp điểm chính dùng để cung cấp nguồn cho thiết bị. + K1 là tiếp điểm phụ dùng để tự duy trì cho CTT. + RI là rơle dòng điện, tác động xuất hiện dòng điện nguy hiểm. + T: kiểm tra sự làm việc của sơ đồ. + Hệ thống tiếp đất phụ Rd. + Tiếp điểm thường đóng RI của rơle bảo vệ sẽ nằm trong mạch của cuộn dây CTT, điều khiển sự làm việc của CTT. Nguyên lý làm việc của sơ đồ: So sánh dòng điện ở đầu và cuối mạch điện. Cuộn dây thứ cấp của máy biến áp dòng BI được nối, nối tiếp nhau tạo thành một mạch kín, rơle bảo vệ RL được nối vào mạch so lệch của mạch. Khi khởi động, ấn Đ nguồn cung cấp cho CTT qua Đ, qua C và qua tiếp điểm thường đóng của RI nên CTT tác động, thiết bị điện được cung cấp nguồn qua tiếp điểm chính K. Khi làm việc bình thường dòng điện sơ cấp của máy biến dòng BI1 và BI2 bằng nhau: I1 = I2 = I. Khi đó, bên thứ cấp của cả hai máy biến dòng sẽ có các dòng điện I'1 = I'2 chạy qua, vậy dòng trong rơle IRL = 0, rơle không tác động nên thiết bị làm việc bình thường. Khi có sự cố do chạm vỏ, thì sẽ xuất hiện dòng điện chạy qua điện trở nối đất Id. Dòng điện I2 sẽ chạy qua BI2 còn dòng Id + I1 chạy qua BI1. Do đó, dòng điện I'2 sẽ chạy qua cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng BI2, còn dòng điện I'1 + I'd cũng sẽ chạy qua thứ cấp hay máy biến dòng BI1. Rơle RI có dòng điện IRL là: IRL = I'1 + I'2 + I'd = I'd Nếu giá trị của Id vượt quá giá trị lớn nhất cho phép thì rơle RI tác động, tiếp điểm thường đóng của RI mở, CTT mất điện nhả tiếp điểm phụ K1 và các tiếp điểm chính K. Vậy thiết bị được tách khỏi lưới. 3.6. Trang bị nối đất. 3.6.1.Các khái niệm cơ bản. a) Điện trở nối đất. Điện trở nối đất bao gồm điện trở của dây dẫn, của điện cực nối đất và điện trở của phần đất xung quanh. Điện trở của dây dẫn và của điện cực nối đất chỉ phụ thuộc vào kích thước chế tạo ra nó. Với điện áp một chiều hoặc xoay chiều tần số công nghiệp điện trở này rất nhỏ có thể bỏ qua. Điện trở của phần đất xung quanh gồm 2 thành phần: điện trở trên đường đi của dòng điện phân tán vào đất và điện trở tiếp xúc giữa vật nối đất và đất, điện trở tiếp xúc giữa vật nối đất và đất thường rất nhỏ. Vì vậy điện trở trên đường đi của dòng điện phân tán vào đất chính là điện trở của bản thân đất mà thôi và đây chính là điện trở nối đất, Rđ. Điện trở suất của đất phụ thuộc vào thành phần hoá học và độ ẩm của đất. Độ ẩm của đất: phụ thuộc vào thành phần, kích thước hạt đất, hạt có kích thước càng nhỏ thì khả năng giữ ẩm càng tốt. ở trạng thái khô có thể xem điện trở suất của đất bằng Ơ. Khi độ ẩm tăng > 15% thì ảnh hưởng của nó đến điện trở suất của đất không còn bao nhiêu. Nhưng độ ẩm > (70á80)% thì điện trở suất của đất lại tăng lên. Nhiệt độ của đất: Khi nhiệt độ hạ thấp làm cho đất như bị đông kết lại và do đó điện trở suất của đất tăng lên rất nhanh. Khi nung nóng đất đến 1000C thì điện trở suất của đất lại giảm xuống. Điện trở suất gần đúng của đất trong điều kiện tự nhiên cho trong (bảng 6.3). Loại đất r (W.cm x 104) Trị số gần đúng Nước biển. 0,002-0,01 0,01 Than bùn. - 0,20 Đất sét. 0,08-0,70 0,40 Đất vườn. 0,4 0,40 Nước sông, hồ, ao. 0,10-0,80 0,50 Đất sét thành từng vỉa lớn - 0,70 Đất pha sét. 0,40-1,50 1,00 Đất pha sét khoảng 50% sét. - 1,00 Đất đen. 0,096-5,30 2,00 Đất pha cát. 1,50-4 3,00 Cát. 4,0010 7,00 Đất vôi, đá vôi, cát hạt to lẫn đá vụn, sỏi. - 10-20 Đá, đá vụn. - 20-40 Bảng 6. 3 : Điện trở suất của đất trong điều kiện tự nhiên Trị số điện trở suất của đất biến đổi trong phạm vi rộng, trị số trong mùa khô và mùa mưa có thể khác nhau rất xa. Trong tính toán thiết kế, trị số tính toán của điện trở suất của đất dựa trên kết quả đo lường thực địa có hiệu chỉnh theo hệ số mùa K. rtt = r. K Trong đó: - r là điện trở suất của đất. - rtt là trị số tính toán. - K : hệ số mùa cho ở bảng sau: Hệ số mùa K của các kiểu nối đất (bảng 6.4). Loại nối đất Hình thức nối đất Độ sâu đặt bộ phận nối đất (m) Hệ số thay đổi điện trở suất K Ghi chú Chống sét Tia (thanh) đặt nằm ngang (nối đất bề mặt) 0,50 1,40-1,80 Trị số nhỏ ứng với loại đất khô (đo vào mùa khô). Trị số lớn ứng với loại đất ẩm (đo vào mùa mưa) 0,80-1,00 1,25-1,45 Cọc đóng thẳng đứng (tính từ mặt đất đến đầu mút trên cùng của cọc) 0,80 1,2-1,40 An toàn làm việc Điện cực chôn nằm ngang 0,5 4,5-6,5 nt 0,8 1,60-3,0 Điện cực chôn thẳng đứng 0,8 1,40-2,00 Bảng 6.4: Hệ số theo mùa của các loại nối đất Điện trở nối đất yêu cầu. - Đối với lưới điện >1kV có trung tính trực tiếp nối đất RđÊ 0,5W. - Đường dây khi có đặt thiết bị bảo vệ chống sét hay dây chống sét, cần nối đất tất cả các cột ở mọi cấp điện áp. Điện trở nối đất cho phép của cột khoảng (10á30) W. - Mạng có điện áp < 1kV có trung tính cách điện, điện trở nối đất < 10W. b) Phân loại và kết cấu của hệ thống nối đất. Trong mạng điện thường có ba loại nối đất: - Nối đất bảo vệ: để bảo đảm an toàn cho người và thiết bị. - Nối đất làm việc (vận hành): như nối đất trung tính các máy biến áp, phụ thuộc vào trạng thái vận hành của hệ thống. - Nối đất chống sét: có nhiệm vụ truyền dòng điện sét từ các bộ phận thu sét xuống đất. c) Các loại hệ thống nối đất. Bất cứ loại tiếp đất nào cũng đều gồm các điện cực nối đất, dây dẫn nối đất, nối với nhau tạo thành một hệ thống nối đất và nối với thiết bị cần nối đất. Trong thực tế nối đất có thể thực hiện theo các hình thức sau đây: - Nối đất tập trung: điện cực nối đất là các ống sắt tròn (hoặc sắt góc) có đường kính từ (4á6)cm, dài (2á3)m chôn thẳng đứng trong đất sâu trong đất (0,5á1)m hoặc các thanh sắt chôn nằm ngang cách mặt đất (0,5á1)m. - Nối đất hình lưới: ở hình thức nối đất tập trung tuy đã thực hiện được yêu cầu về điện áp tiếp xúc nhưng trị số điện áp bước còn khá lớn. Để khắc phục nhược điểm này có thể sử dụng nối đất hình lưới. Từ các đường cong phân bố điện áp (hình 6.12a) có thể nhận thấy trị số điện áp bước giảm đi nhiều so với các hình thức nối đất tập trung, đồng thời trị số điện áp tiếp xúc cũng được giảm thấp (hình 6.12b). Ngoài hai hình thức kể trên, có thể dùng hình thức tia tiếp địa hoặc cọc tia hỗn hợp. Hình 6.12: Các loại hệ thống nối đất Ub Utx TBĐ Uđ=Iđ.Rđ I I a) TBĐ Uđ=Iđ.Rđ Utx Ub b) 3.6.2. Tính toán trang bị nối đất cho hệ thống nối đất bảo vệ và vận hành. Trang bị nối đất gồm: - Điện cực nối đất, bao gồm điện cực thẳng đứng được đóng sâu vào trong đất và điện cực ngang được chôn xuống đất. - Dây nối đất, dùng để nối liền các bộ phận cần nối đất với các điện cực nối đất. a) Cách thực hiện nối đất. * Nối đất tự nhiên: Là nối vào các đường ống bằng kim loại như ống nước... (trừ các ống dẫn chất lỏng và khí dễ cháy) đặt trong đất, các kết cấu bằng kim loại của nhà, các công trình có nối đất, các vỏ bọc bằng chì và nhôm của cáp đặt trong đất. Khi xây dựng trang bị nối đất, trước hết cần phải sử dụng các vật nối đất tự nhiên có sẵn, điện trở nối đất này được xác định bằng cách đo thực tế tại chỗ. Trường hợp không kiểm tra thì có thể sử dụng các vật nối đất tự nhiên đó để giảm bớt điện trở nối đất, còn khi xác định điện trở nối đất phải căn cứ vào bộ phận nối đất nhân tạo. * Nối đất nhân tạo. Thường thực hiện bằng các cọc thép, thanh thép dẹt hình chữ nhật hay thép góc dài (2á3)m đóng sâu xuống đất sao cho đầu trên cách mặt đất khoảng (0,5á0,8)m. Do có hiện tượng ăn mòn kim loại, các ống thép và các thanh thép dẹt hay thép góc có chiều dày > 4mm. * Dây nối đất. Dây nối đất > 1/3 tiết diện dây dẫn pha, thường dùng dây thép có tiết diện 120mm2, nhôm 35mm2 hoặc đồng 25mm2. b) Tính toán nối đất nhân tạo. Điện trở nối đất nhân tạo được thực hiện khi nối đất tự nhiên đo được không thoả mãn điện trở nối đất cho phép lớn nhất [Rmax] của trang bị nối đất. Khi đó điện trở nối đất nhân tạo được tính theo biểu thức: đ Điện trở nối đất nhân tạo gồm hệ thống điện cực thẳng đứng và điện cực ngang được xác định: Trong đó: Rc, Rth là điện trở khuếch tán dòng điện của hệ thống 1 điện cực thẳng đứng và 1 điện cực ngang vào trong đất (bảng 6.5). Kiểu nối đất Cách đặt điện cực Biểu thức tính điện trở của nối đất, W d l Chôn thẳng đứng, làm bằng thép tròn, đầu trên tiếp xúc với mặt đất. . Với l > d d l t t0 Chôn thẳng đứng, làm bằng thép tròn, đầu trên nằm sâu cách mặt đất một khoảng. . Với l > d + rtt: điện trở suất tính toán (W.cm) + l: chiều dài cọc (cm) + d: đường kính cọc + t: độ chôn sâu từ mặt đất đến điểm giữa cọc + t0 độ chôn sâu từ mặt đất đến đầu cọc t0³ 0,5m l t b Chôn nằm ngang, làm bằng thép dẹt, dài, nằm sâu cách mặt đất một khoảng Với + b: chiều rộng của thanh dẹt, nếu điện cực tròn có đường kính d thì b = 2d b a Tấm chôn thẳng đứng, cách sâu mặt đất một khoảng + a và b là kích thước dài và rộng của tấm D t b Vành xuyến, làm từ thép dẹt, đặt nằm ngang, sâu cách mặt đất một khoảng Với + b: chiều rộng của cực. Nếu điện cực tròn, đường kính d thì b = 2d Bảng 6.5 : Bảng tính chọn điện trở nối đất. Chú ý: Đối với thép góc, đường kính đẳng trị được tính theo: d = 0,95.b Trong đó: b là bề rộng của các thanh thép góc. Nối đất thường bao gồm một số điện cực nối song song với nhau và đất cách nhau một khoảng cách tương đối nhỏ. Vì vậy khi có dòng điện chạm đất, thể tích đất tản dòng từ mỗi cực giảm đi, do đó làm tăng điện trở nối đất. Nếu trong hệ thống nối đất có n cọc với các thanh ngang nối các cọc với nhau, ta coi như chúng nối song song và điện trở nối đất của hệ thống được xác định theo biểu thức: Nếu không kể đến điện trở nối đất thanh ngang Rth thì điện trở nối đất hệ thống là: Trong đó: - Rc : điện trở của một cọc đứng. - Rth: điện trở của một thanh ngang. - h : hệ số sử dụng của cọc và thanh với: hc = hth = h. (bảng 6.6) Số cọc chôn thẳng đứng Tỉ số a/l (a: khoảng cách giữa các cọc; l: chiều dài cọc) 1 2 3 hc hth hc hth hc hth A. Khi đặt các cọc theo mạch vòng. 4 0,69 0,45 0,78 0,55 0,85 0,70 6 0,62 0,40 0,73 0,48 0,80 0,64 8 0,58 0,36 0,71 0,43 0,78 0,60 10 0,55 0,34 0,69 0,40 0,76 0,56 20 0,47 0,27 0,64 0,32 0,71 0,47 30 0,43 0,24 0,60 0,30 0,68 0,41 50 0,40 0,21 0,56 0,28 0,66 0,37 70 0,38 0,20 0,54 0,26 0,64 0,35 100 0,35 0,19 0,52 0,24 0,62 0,33 B. Khi đặt các cọc thành dãy. 3 0,78 0,80 0,86 0,92 0,91 0,95 4 0,74 0,77 0,83 0,87 0,88 0,92 5 0,70 0,74 0,81 0,86 0,87 0,90 6 0,63 0,72 0,77 0,83 0,83 0,88 10 0,59 0,62 0,75 0,75 0,81 0,82 15 0,54 0,50 0,70 0,64 0,78 0,74 20 0,49 0,42 0,68 0,56 0,77 0,68 30 0,43 0,31 0,65 0,46 0,75 0,58 Bảng 6.6 :Số cọc và khoảng cách đặt của các cọc c) Trình tự tính toán nối đất. Đối với nối đất an toàn, trình tự tính toán nối đất có thể thực hiện theo các bước sau: 1/ Xác định điện trở nối đất cho phép Rcp theo tiêu chuẩn. 2/ Xác định điện trở nối đất tự nhiên Rtn. 3/ Nếu Rtn < Rcp. - Đối với các thiết bị cao áp có trung tính cách điện và các thiết bị điện áp <1kV không cần đặt thêm nối đất nhân tạo. -Đối với các thiết bị điện áp > 1kV có trung tính trực tiếp nối đất phải đặt thêm nối đất nhân tạo với điện trở < 1W. d) Nếu Rtn > Rcp thì phải xác định nối đất nhân tạo. e) Xác định sơ đồ bố trí các điện cực, chọn số lượng và kích thước các điện cực đóng thẳng đứng và các điện cực ngang, tính điện trở khuếch tán của cọc, thanh nằm ngang và toàn hệ thống nối đất theo các biểu thức ở trên. 3.6.3. Tính toán trang bị nối đất cho hệ thống nối đất chống sét. a) Điện trở nối đất khi có sét. Khi có sét đánh, điện áp của sóng sét là điện áp xung kích. Vì vậy đối với nối đất chống sét phải xác định theo điện trở xung kích. Điện trở xung kích được xác định theo biểu thức: Rxk = axk.Rxc Trong đó: - Rxc : là điện trở nối đất xoay chiều tần số công nghiệp. - axk: là hệ số xung kích. Khi sét đánh nếu cường độ điện trường trong đất bằng 5 (kV/cm) thì trong đất có hiện tượng phóng điện cục bộ làm cho điện trở nối đất giảm xuống, ứng với trường hợp này axk 1. Chú ý: Đối với nối đất chống sét, hệ số sử dụng của điện cực ký hiệu là hxk và gọi là hệ số sử dụng xung kích của điện cực. Hệ số hxk tra trong sổ tay kỹ thuật. Kiểu nối đất Chiều dài cọc, tia (m) Với trị số điện trở suất r x 104 W cm 0,50 1 3 5 10 Kiểu cọc 2-3 0,95 0,80 0,60 0,40 0,35 Kiểu tia nằm ngang - 1 tia 2,50 0,06 0,8 0,60 0,40 0,38 10 - 0,90 0,70 0,50 0,40 20 1,12 1,10 0,90 0,70 0,60 30 - 1,40 1,00 0,80 0,70 40 1,75 1,70 1,30 0,90 0,80 Kiểu tia nằm ngang - 2 tia 5-10 0,95 0,80 0,60 0,40 0,38 20 1,12 0,90 0,70 0,50 0,40 40 - 1,10 0,90 0,70 0,60 60 - 1,40 1,00 0,80 0,70 80 - 1,70 1,30 0,90 0,80 Kiểu tia nằm ngang -3 tia 4 0,80 0,70 0,50 0,30 0,34 6 0,89 0,75 0,55 0,40 0,35 8 0,94 0,84 0,60 0,44 0,36 10 0,98 0,88 0,65 0,46 0,38 12 0,99 0,89 0,70 0,59 0,40 Bảng 6.7 : Hệ số xung kích của một số bộ phận nối đất đơn giản Khi thực hiện nối đất chống sét, có thể lựa chọn hình thức nối đất như sau: - Khi trị số điện trở suất của đất < 3.104 W.cm thì sử dụng hình thức nối đất tập trung, chiều dài cọc từ (2,5á3)m. - Trường hợp lớp đất trên có trị số điện trở suất nhỏ, các lớp đất ở dưới là đá, sỏi hoặc có điện trở suất lớn quá thì sử dụng hình thức nối đất kiểu tia nằm ngang, chiều dài tia không nên dài quá 20 mét và đặt ở độ sâu (0,5á0,8)m. Nếu một tia không đạt yêu cầu về điện trở nối đất thì tăng số tia, nhưng không nên quá 4 tia và góc tạo thành giữa các tia không được nhỏ hơn 900. - Khi điện trở suất của đất khoảng (3á7).104 W.cm cần sử dụng hình thức nối đất hỗn hợp (cọc - tia), số tia không quá 4 và chiều dài tia không quá 30 mét, có thể nối đất hỗn hợp kiểu hình vuông, chữ nhật hoặc vòng tròn. - Khi trị số điện trở suất > 7.104 W.cm cần sử dụng hình thức nối đất tia, mạch vòng hoặc hỗn hợp. Nếu đất có nhiều đá tảng, đá vỉa thì cho phép kéo dài tia tới chỗ có điện trở suất nhỏ nhưng không nên kéo dài quá 100 m. Hệ thống nối đất có nhiều cọc, khoảng cách giữa các cọc không được nhỏ hơn hai lần chiều dài của cọc. Chỉ khi thực hiện khoảng cách nói trên gặp nhiều khó khăn hoặc điện trở suất của đất nhỏ thì được phép giảm khoảng cách trên nhưng không được nhỏ hơn chiều dài của cọc. Trình tự tính toán nối đất chống sét giống như ở phần trên chỉ khác là thay hệ số h bằng hxk và tính thêm điện trở nối đất xung kích: Rxk = axk . Rxc b) Phân cấp công trình bảo vệ chống sét. Đối với các công trình kiến trúc, phân các công trình thành 3 cấp. * Cấp I: Những công trình, trong đó có toả ra các chất khí hoặc hơi cháy, cũng như các loại hoặc sợi cháy dễ dàng chuyển sang trạng thái lơ lửng và có khả năng kết hợp với không khí hoặc các chất ôxy hoá khác tạo thành các hỗn hợp nổ. Khả năng tạo thành các hỗn hợp nổ có thể xảy ra ngay trong điều kiện làm việc bình thường, kể cả điều kiện làm việc bình thường ngắn hạn khi xảy ra nổ sẽ gây ra những phá hoại lớn và làm chết người. Đối với các công trình cấp I, nhất thiết phải bố trí thiết bị chống sét độc lập với công trình. Điện trở nối đất xung kích không được lớn hơn 10W nếu điện trở suất tính toán của đất rtt 40W nếu điện trở suất tính toán của đất < 5.104 W.cm. * Cấp II: Những công trình, trong đó có toả ra các chất khí, hơi, hoặc sợi cháy và có khả năng kết hợp với không khí hoặc các chất ôxy hoá khác tạo thành các hỗn hợp nổ. Nhưng khả năng này chỉ xảy ra khi có sự cố hoặc làm sai quy tắc, không thể xảy ra trong khi làm việc bình thường. Khi xảy ra nổ chỉ gây ra những hư hỏng nhỏ và không chết người. Đối với các công trình cấp II. Nếu bố trí thiết bị chống sét độc lập với công trình thì điện trở nối đất xung kích yêu cầu như các công trình cấp I. Nếu bố trí thiết bị chống sét trực tiếp trên công trình thì điện trở nối đất xung kích không được lớn hơn 5W. * Cấp III: Tất cả những công trình còn lại. Đối với các công trình cấp III, cần phải đặt thiết bị chống sét ngay trên công trình, chỉ được đặt thiết bị chống sét độc lập với công trình trong những trường hợp đặc biệt thuận lợi về kỹ thuật và kinh tế. Nếu đặt thiết bị chống sét độc lập với công trình, trị số điện trở nối đất xung kích quy định như sau: + < 20 W nếu rtt < 5.104 Wcm. + < 50 W nếu rtt ³ 5.104 Wcm. 3.6.4. Ví dụ. Ví dụ 1: Trạm biến áp (110/10)kV có dòng điện lớn nhất đi qua vật nối đất khi ngắn mạch chạm đất phía 110 kV là 3,2kA. Dòng ngắn mạch phía 10 kV là 42 A. Điện trở nối đất tự nhiên là 1,2 W. Tính nối đất mạch vòng bảo vệ cho trạm biến áp, với đất nơi đặt trạm là đất sét. Bài giải + Xác định điện trở nối đất yêu cầu. - Phía 110 kV yêu cầu điện trở nối đất bằng 0,5W. - Phía 10 kV (trung tính cách điện với đất) điện trở nối đất Rd phải thoả mãn theo biểu thức: (W) Vì dùng trang bị nối đất chung cho cả điện áp dưới và trên 1 kV. Như vậy trong tính toán lấy Rd Ê Rcp.max = 0,5 W - Điện trở nối đất nhân tạo khi kể đến điện trở nối đất tự nhiên Rtn = 1,2 W là: (W) Vậy điện trở nối đất nhân tạo cần thiết kế là: 0,875 W. + Xác định sơ đồ hệ thống tiếp đất. Hệ thống nối đất dùng thép góc L= 50x50x6mm, dài 2,5m chôn sâu cách mặt đất 0,8m và sử dụng thanh nối thành vòng. + Xác định điện trở nối đất của 1 cọc. - Điện trở suất của đất tại chỗ đặt tiếp đất, với đất sét tra (bảng 2-5): r=104 Wcm. - Hệ số mùa, K = 1,4 với điện cực đóng thẳng đứng dài (2á3)m đóng ở độ sâu ³ 0,8m. - Điện trở suất tính toán đối với điện cực thẳng đứng: rtt = r.K = 1,4. 104(Wcm) - Điện trở nối đất của 1 cọc xác định theo biểu thức: Trong đó: d = 0,95. b = 0,95. 0,05 = 0,0475 (m) (m) (W) + Xác định sơ bộ số cọc nối đất thẳng đứng. Sơ bộ chọn hệ số sử dụng hc = 0,6 do đó: (cọc) Sơ bộ chọn bằng: 85 cọc. + Xác định điện trở nối đất của thanh ngang. Điện cực ngang dùng thép thanh 40x4 mm2 được hàn ở đầu trên của thép góc có kể đến ảnh hưởng do màn chắn (nếu kể đến ảnh hưởng của màn chắn chia cho hth). - Tra bảng với 85 cọc, ta có hệ số sử dụng thanh nối thành vòng với tỷ số a/l = 2 nghĩa là cọc cách cọc 5m, là hth = 0,25. - Hệ số mùa, K = 4,5 đối với điện cực ngang khi chôn sâu (0,3á0,5)m. - Điện trở suất tính toán đối với điện cực ngang: rtt = r.K = 4,5. 104 (Wcm) - Điện trở tản của thanh có chu vi vòng: l = 2. 85. a = 2. 85. 2,5 = 425 m. = (W) Sử dụng 1 thanh ngang nên Rth.1 = Rth + Xác định chính xác điện trở của các điện cực thẳng đứng. đ (W) +Xác định chính xác số điện cực thẳng đứng. Hệ số sử dụng hc tra (bảng 2-8), khi a/l = 2 và n = 85 thì hc = 0,53: Do đó: (cọc) Vậy, chọn 87 thanh thép góc l = 50x50x4 làm điện cực thẳng đứng. Ví dụ 2: Trong trạm phân phối có máy biến áp hạ áp (10/0,4)kV. Dòng điện điện dung chạm đất 1 pha của mạng 10 kV bằng 25 A, phía hạ áp trung tính nối đất trực tiếp với đất tại nơi tiếp đất là đất sét có điện trở suất r = 0,6.104 W cm. Tính toán trang bị nối đất trạm phân phối 10 kV khi không có nối đất tự nhiên. Bài giải + Xác định điện trở nối đất yêu cầu. - Điện trở nối đất của trạm khi dùng chung cho thiết bị 10 và 0,4 kV được xác định theo biểu thức: - Điện trở nối đất của trung tính máy biến áp < 4 W. Vậy trang bị nối đất dùng chung cho các thiết bị 10 kV và trung tính máy biến áp phía 0,4 kV phải có trị số điện trở < 4 W. + Xác định sơ đồ hệ thống tiếp đất. Chọn cực nối đất là các cọc thép góc L50x50x5mm. Có chiều dài l = 2,5m. Các cọc này được nối liên kết với nhau bằng các thanh thép dẹt: 4x20mm. Giả thiết nối đất theo mạch vòng và chu vi của mạch vòng là 80m, các cọc đóng cách nhau 5m và đóng sâu xuống dưới mặt đất 0,7 m. + Xác định điện trở nối đất của 1 cọc. - Điện trở suất tính toán, chọn hệ số mùa K = 2, điện trở suất tính toán là: rtt = r. K = 0,6 .104. 2 = 1,2.104 W cm. - Điện trở suất tính toán 1 cọc. Trong đó: d = 0,95. b = 0,95. 0,05 = 0,0475 (m) (m) (W) + Xác định sơ bộ số cọc nối đất thẳng đứng. Sơ bộ chọn hệ số sử dụng hd = 0,6 do đó: (cọc) Sơ bộ chọn bằng 70 cọc. + Xác định điện trở nối đất của thanh ngang khi kể đến ảnh hưởng của màn chắn. - Tra bảng với 70 cọc, ta có hệ số sử dụng thanh nối thành vòng với tỷ số a/l = 2, là hth = 0,26. - Hệ số mùa, K = 4,5 đối với điện cực ngang khi chôn sâu (0,3á0,5)m. - Điện trở suất tính toán đối với điện cực ngang: rtt = r.K = 4,5. 104 (Wcm) - Điện trở tản của thanh có chu vi vòng: 80 m. (W) + Xác định chính xác điện trở của các điện cực thẳng đứng. đ (W) +Xác định chính xác số điện cực thẳng đứng. Hệ số sử dụng hc tra (bảng 2-8), khi a/l = 2 và n = 70 thì hc = 0,54: Do đó: (cọc) Vậy, chọn 79 thanh thép góc l = 50x50x4 làm điện cực thẳng đứng. Ví dụ 3: Tính toán nối đất lặp lại ở cuối đường dây 0,4kV có trung tính nối đất, công suất của máy biến áp cung cấp là 100 kVA, đặt trong vùng đất có r = 2.104 W.cm. Không có nối đất tự nhiên. Bài giải Đối với máy biến áp có công suất lớn hơn 100 kVA điện trở nối đất lặp lại không được vượt quá 10W. Sơ bộ dùng 10 cọc điện cực thẳng đứng dùng thép góc L=60x60x6mm, dài l = 2,5m làm cọc, chọn thép tròn có đường kính F = 8 mm làm thanh nối. - Điện trở khuếch tán của một cọc: (W) (m) Các cọc chôn thành mạch vòng liên kết bằng các thanh nối. Các cọc chôn cách nhau a = 2.l = 2. 2,5 = 5 m. Vậy, với tra bảng ta có: h = 0,69. Thanh nối dùng thép tròn có đường kính 8mm, chiều dài thanh nối tính đến cột điện gần bằng 60m và chôn sâu 80cm. Hệ số sử dụng của điện cực ngang, tra bảng với số cọc 10, a/l = 2 được hth = 0,4. - Điện trở khuếch tán của thanh ngang không kể đến ảnh hưưỏng của màn chắn: (W) - Điện trở của cả hệ thống: (W) Như vậy số cọc chọn 10 cọc như trên đạt yêu cầu. 3.7. Nguy hiểm của sự xâm nhập điện áp cao sang điện áp thấp. Điện áp cao xâm nhập sang điện áp thấp là sự nối điện các cuộn dây có điện áp khác nhau vì cách điện bị chọc thủng ra vỏ thiết bị hay có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các cuộn dây này với nhau . Hiện tượng này hay xảy ra với máy biến áp di động cung cấp điện năng cho các loại đèn cầm tay , dụng cụ điện , máy hàn điệnKhi điện áp cao xâm nhập sang điện áp thấp như ở mạng điện từ 12 đến 65 V rất nguy hiểm vì các mạng điện này có cách điện không cao . Hiện tượng này ít xảy ra với các máy biến áp cố định dùng trong mạng điện động lực hay thắp sáng.Các cuộn dây điện áp khác nhau của loại máy biến áp cách điện bằng các ống bakêlít rất chắc chắn nên sự xâm nhập điện áp nói trên thường xảy ra ở đầu ra của các cuộn dây. Nhiều khi vì gió , bão làm đường dây cao áp bị đứt xuống đường dây hạ áp . Thêm một trường hợp nữa để thấy sự nguy hiểm của hiện tượng điện áp cao xâm nhập sang điện áp thấp là ở các mạng điện áp thấp thường có máy biến áp đo lường , máy biến dòng điện mà con người thường xuyên tiếp xúc phải . Để đánh giá được sự nguy hiểm của hiện tượng này và tìm ra biện pháp bảo vệ thích hợp . Biện pháp bảo vệ phụ thuộc vào chế độ làm việc của trung tính . Dưới đây chúng ta phân tích một số trường hợp điển hình thường gặp trong vận hành thực tế : 3.7.1. Trường hợp trung tính của mạng điện hạ áp cách điện với đất . >1000 V <1000 V Id C1 C2 C3 g1 g2 g3 Hình 7.1 : Sự xâm nhập của điện áp cao (Trung tính của hai mạng điện đều cách điện với đất) Khi có sự xâm nhập của điện áp cao sang điện áp thấp , điểm trung tính ở bên điện áp thấp có trị số gần bằng điện áp pha phía cao áp và điểm trung tính đối với đất có điện áp là : U0=. (7-1) Trong đó : Id là dòng điện chạm đất khép mạch qua điện dẫn của cách điện mạng điện hạ áp và điện dung của mạng điện cao áp . (g1+g2+g3) là điện dẫn của cách điện mạng điện hạ áp gần bằng điện dẫn của các pha nối song song với nhau. r0 >1000 V <1000 V Id C1 C2 C3 Hình 7. 2 : Sự xâm nhập của điện áp cao sang mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất 3.7.2 . Trường hợp trung tính của mạng điện hạ áp được nối đất trực tiếp còn phía cao áp trung tính cách điện với đất như hình 7. 2 : Dòng điện sự cố đi qua điện trở nối đất làm việc r0 của máy biến áp và qua các điện dung C1 , C2 , C3 của mạng điện cao áp . Trị số của cách điện rất bé so với điện dẫn của thanh nối đất làm việc g0= nên có thể bỏ qua . Dòng điện sự cố có thể tính theo công thức : Id= (7-2) Trung tính của mạng điện áp thấp có điện áp : U0=Id.r0 = (7-3) Khi U0 có trị số lớn có thể gây nguy hiểm cho người lúc chạm vào vỏ thiết bị nếu vỏ thiết bị cũng được nối vào dây trung tính . Điện áp các pha đối với đất bây giờ cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi của điện áp của điểm trung tính . 3.7.3. Các biện pháp bảo vệ chống sự xâm nhập của điện áp cao. Như đã trình bày ở trên , các biện pháp bảo vệ phụ thuộc vào tình trạng làm việc của trung tính. 1- Biện pháp bảo vệ trong mạng có trung tính nối đất : Đối với trường hợp phía hạ áp có trung tính nối đất , biện pháp bảo vệ rất dễ thực hiện. Muốn vậy phía cao áp cũng cần nối đất. Khi điện áp cao xâm nhập sang điện áp thấp thì sự xâm nhập này biến thành chạm đất một pha bên phía điện áp cao . Cho nên bảo vệ tác động để cắt máy biến áp khỏi bị sự cố. Để đảm bảo điều kiện an toàn cần chọn điện trở làm việc r0 của phía hạ áp theo điều kiện r0 . Nếu bên phía cao áp làm việc với trung tính cách điện với đất (Hình 8-2 ) và dòng điện dung lúc chạm đất một pha không đủ để bảo vệ làm việc , dòng điện này đi qua r0 và tồn tại rất lâu . Trong khi đấy chúng ta đã biết là cả bốn dây của mạng điện hạ áp đều có điện áp đối với đất tăng lên và vỏ của thiết bị nối với dây trung tính sẽ có điện áp là U0 (Tính theo biểu thức 8-3) . Vậy biện pháp bảo vệ trong trường hợp này là chọn r0 thế nào để lúc xảy ra tăng điện áp phía hạ áp cách điện của thiết bị không bị hư hỏng và đảm bảo an toàn cho người lúc chạm vào vỏ thiết bị . Theo quy trình phải kiểm tra theo công thức : r0 . (7-4) Trong đó Id là dòng điện dung lúc chạm đất phía cao áp . Cần chú ý là 125 V ở biểu thức (8-4) không phải là điện áp an toàn . Trong thực tế r0 được nối song song với các điện trở rl của nối đất lặp lại (Hình 7.3). Id r0 rl rl rl >1000 V <1000 V Hình 7. 3 : Đường đi của dòng điện lúc có sự xâm nhập của điện áp trong mạng có dùng bảo vệ nối dây không Vì vậy điện áp của trung tính phía hạ áp cũng như của vỏ thiết bị được nối với dây “không” là U0=Id. (7-5) 2- Biện pháp bảo vệ trong mạng điện có trung tính cách điện . Để bảo vệ sự xâm nhập của điện áp cao sang mạng điện áp thấp hơn 1000V có trung tính cách điện ta dụng cầu chì nổ (Hình 7.4). Cầu chì nổ Hình 7.4 : Sơ đồ mắc cầu chì nổ vào trung tính Cầu chì nổ có lớp lót bằng mica cách điện và bình thường nó ngăn cách cuộn dây thứ cấp máy biến áp với đất. Khi điện áp cao xâm nhập sang điện áp thấp thì khoảng cách không khí giữa các lớp mica và mica bị chọc thủng . Dòng điện sự cố đi qua r0 phía hạ áp (Như ở trường hợp trung tính trực tiếp nối đất) và qua điện dung (hay qua trung tính nếu trung tính nối đất) của mạng điện cao áp . Biện pháp để đảm bảo an toàn cho người vận hành và của cách điện của cuộn dây phía hạ áp là : + Cắt nhanh máy biến áp nếu trung tính bên phía cao áp nối đất . Quy trình quy định trị số điện trở r0 của bên hạ áp là r0 . + Chọn trị số của r0 theo điều kiện an toàn nếu trung tính bên phía cao áp cách điện . Trong trường hợp sau trị số r0 cần được kiểm tra theo biểu thức như của trường hợp trung tính phía hạ áp nối đất : r0 . Tuy nhiên cần chú ý là trị số cho phép của U0 bây giờ hoàn toàn bằng 125 V vì ở đây không có nối đất lặp lại của dây trung tính . Cách điện của mạng điện phải kiểm tra theo tiêu chuẩn 125 V . Dùng cầu chì nổ lúc điện áp phía cao áp nhỏ hơn 3000 V không được tốt vì với điện áp bé như vậy cầu chì có thể không tác động . Cầu chì nổ phải được kiểm tra ba tháng một lần . Cần xam xét cẩn thận không cho bụi bám vào khe hở của cầu chì gây nên tác động nhầm lẫn . Với máy biến áp cao áp và công suất lớn dùng cầu chì nổ rất tốt . Ngoài ra còn dùng các loại bảo vệ khác như bảo vệ Rơle hơi , bảo vệ so lệch máy biến áp.... 37.4. Biện pháp bảo vệ cho máy biến áp có điện áp thứ cấp là 100 V hoặc nhỏ hơn. Với máy biến áp có điện áp cao bé hơn 1000 V và điện áp thấp bé hơn 100 V thì việc chống sự xâm nhập của điện áp cao bằng cầu chì nổ như kể trên không còn thích hợp nữa. Vì thế để bảo vệ chống sự xâm nhập của điện áp cao người ta dùng nối một trong các đầu ra của cuộn thứ cấp máy biến áp vào hệ thống nối đất hay vào dây trung tính (nếu là bảo vệ nối dây trung tính). Khi nối đất một trong các đầu ra của cuộn thứ cấp nếu xảy ra nối điện giữa hai cuộn dây cao và hạ áp , điện áp giáng trên thiết bị nối đất sẽ bằng : Ud =Id.Rd. Với Id là dòng điện chạm đất. Người chạm vào cuộn dây thứ cấp sẽ bị tác dụng của điện áp tiếp xúc : Utx=Ud+U2 ở đây U2 là điện áp của cuộn dây thứ cấp. Điện áp U2 có trị số thay đổi tuỳ thuộc vào cách tiếp xúc , chiều quấn dây , tác dụng khử từ của dòng Id.Do đó để đảm bảo an toàn chúng ta tính toán với trường hợp sau : U2=U2dm Điều kiện an toàn là : Ud+U2dm . (7-6) Với máy biến dòng điện cuộn thứ cấp xem như nối tắt , Khi đó U2dm=0. U2dm là điện áp thứ cấp định mức. Utxcp điện áp tiếp xúc cho phép . Nếu điều kiện (7-6 )không thoả mãn thì biện pháp bảo vệ trên vẫn có lợi cho loại máy biến áp có U2d>Utxcp (máy biến áp đo lường , máy biến áp cho lò),Vì điều kiện vận hành của các loại máy này không phải tiếp xúc lâu dài với chúng và với loại này thường có bảo vệ để tránh sự tiếp xúc trực tiếp với thiết bị điện . Đối với loại máy biến áp dùng cho loại đèn cầm tay hay dụng cụ điện thường có U2dm<Utxcp , nếu điều kiện (7-6 ) không thoả mãn thì biện pháp bảo vệ như trên không tốt và nguy hiểm. Khi nối một trong các đầu ra của cuộn thứ cấp với dây trung tính phải tính toán với điều kiện nếu xảy ra nối điện giữa hai cuộn dây cao áp và hạ áp thì xem như ngắn mạch và bảo vệ sẽ tác động cắt máy biến áp. Muốn vậy phải đảm bảo điều kiện : IN= (7-7) Trong đó xB và rB là điện kháng và điện trở của các cuộn dây máy biến áp lúc ngắn mạch. Trị số xB và rB thay đổi tuỳ theo điểm ngắn mạch cho nên tính toán theo công thức (8-7) rất khó thực hiện. Nếu điều kiện công thức (7-7) không thoả mãn được thì biện pháp bảo vệ nối dây trung tính vẫn có lợi cho máy biến áp có U2dm>Utxcp khi đảm bảo được các điều kiện sau : IN.ZK. (7-8) Cho trường hợp nối đất lặp lại tập trung. .IN.ZK. (7-9) Cho trường hợp nối đất theo mạng vòng . Ngoài các biện pháp nối đất và nối dây trung tính ở trên còn có biện pháp nối đất phụ (hay nối dây trung tính phụ) gọi là cuộn dây chắn đặt vào giữa hai cuộn dây cao áp và hạ áp của máy biến áp . Nếu xảy ra nối điện bất ngờ thì cũng chỉ xảy ra giữa cuộn cao áp và cuộn dây chắn mà thôi. Còn cuộn hạ áp vẫn cách điện với cuộn cao áp . 3. 8 . Bảo vệ chống sét. 3. 8.1. Quá điện áp khí quyển và đặc tính của sét . Dông sét là hiện tượng thiên nhiên, đó là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây với nhau và giữa đám mây với mặt đất. Khi sét đánh trực tiếp hay gián tiếp vào các công trình không những làm hư hại nghiêm trọng về vật chất mà còn gây nguy hiểm đến tính mạng con người. Vì thế các công trình tuỳ theo mức độ quan trọng mà nhất thiết phải có hệ thống các thiết bị chống sét và biện pháp để đảm bảo an toàn khi có sét đánh vào. 1- Hiện tượng phóng điện sét . Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất , hay giữa các đám mây mang điện tích trái dấu. Trước khi có sự phóng điện của sét đã có sự phân chia và tích luỹ số lượng điện tích rất lớn trong các đám mây giông do tác động của các luồng không khí nóng bốc lên và hơi nước ngưng tụ trong các đám mây. Các đám mây mang điện là do kết quả của sự phân tích các điện tích trái dấu(ion hoá tự nhiên) và tập trung chúng trong các phần tử khác nhau của đám mây. Khi các lớp mây được tích điện (khoảng 80 % số trường hợp phóng điện sét xuống đất điện tích của mây có cực tính âm ) tới mức độ có thể tạo nên cường độ trường lớn sẽ hình thành dòng phát triển về phía mặt đất. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện tiên đạo và dòng gọi là tia tiên đạo. Tốc độ di chuyển trung bình của tia tiên đạo của lần phóng đầu tiên khoảng 1,5.107 cm/giây , của lần phóng tiếp theo nhanh hơn và đạt tới 2.108cm/giây. Trong một đợt sét đánh có thể có nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau , trung bình là 3 lần, điều này được giải thích bởi trong cùng lớp mây có thể hình thành nhiều trung tâm điện tích , Chúng sẽ lần lượt phóng điện xuống đất. Tia tiên đạo là môi trường plasma có điện dẫn lớn. Đầu tia nối với một trong các trung tâm điện tích của lớp mây điện nên một phần điện tích của trung tâm này đi vào trong tia tiên đạo và phân bố gần đều dọc theo chiều dài tia. Dưới tác dụng của điện trường tia tiên đạo, sẽ có sự tập trung các điện tích trái dấu trên mặt đất mà địa điểm tập kết tuỳ thuộc vào tình hình điện dẫn của đất. Nếu vùng đất có điện dẫn đồng nhất thì địa điểm này nằm ngay phía dưới đầu tia tiên đạo. Trong trường hợp mặt đất có nhiều nơi điện dấn khác nhau thì điện tích trong đất sẽ tập trung về nơi có điện dẫn cao. Ví dụ các ao, hồ , sông lạch ở các vùng đất đá. Quá trình phóng điện sẽ phát triển dọc theo đường sức nối liền giữa đầu tia tiên đạo với nơi tập trung điện tích trên mặt đất vì ở đấy cường độ điện trường có trị số lớn nhất và như vậy là địa điểm sét đánh trên mặt đất đã được định trước. Tính chất chọn lọc phóng điện sét đã được vận dụng trong việc bảo vệ chống sét đánh thẳng cho các công trình : Cột thu sét có độ cao lớn và trị số điện trở nối đất nhỏ sẽ thu hút các phóng điện sét về phía mình, do đó tạo ra khu vực an toàn xung quanh nó. Khi tia tiên đạo phát triển gần về phía mặt đất thì trường trong khoảng không gian giữa các điện cực sẽ có trị số rất lớn và bắt đầu có quá trình ion hoá mãnh liệt dẫn đến hình thành dòng plasma với mật độ ion lớn hơn nhiều so với của tia tiên đạo. Do có điện dẫn bản thân rất cao nên đầu dòng có điện thế mặt đất, như vậy toàn bộ hiệu số điện thế (giữa đầu tia tiên đạo với mặt đất) được tập trung vào khu vực giữa nó với đầu của tia tiên đạo, trường trong khu vực này tăng cao và gây ion hoá mãnh liệt.Dòng plasma được kéo dài ra và di chuyển ngược lên phía trên. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện ngược. Tốc độ phát triển của giai đoạn phóng điện ngược thay đổi trong giới hạn 1,5.109 1,5.1010 (cm/giây) tức là 0,05 0,5 tốc độ của ánh sáng. Trong giai đoạn này điện tích của lớp mây điện sẽ theo dòng plasma chuyển về phía mặt đất tạo nên dòng điện ở nơi sét đánh. 2- Tham số phóng điện của sét . Tham số chủ yếu của phóng điện sét là dòng điện sét. Dòng điện sét ghi được trên các máy hiện sóng cực nhanh có như hình 8.1, đó là dạng sóng xung kích- chỗ tăng nhanh của dòng điện tương ứng với giai đoạn phóng điện ngược, còn quá trình giảm dần về sau là quá trình chuyển số điện tích tàn dư từ lớp mây xuống đất. Hình 8.1 : Dòng điện sét ghi trên máy hiện sóng. (2) Dòng điện sét tính toán. (1) (2) Is(kA) t() 0’ 0 0,3 Imax 0,5 Imax 0,5 Imax 0,5 Imax 0,1 Imax Khi tính toán bảo vệ chống sét, thông số chính cần chú ý nhiều nhất không phải là điện áp sét mà là dòng điện sét . Trị số dòng điện sét có thể xác định bằng cách đo trực tiếp. ở Liên Xô cũ cũng như một số nước trên thế giới qua nhiều lần quan sát và đo đạc dòng điện sét người ta rút ra được xác suất lớn nhất ứng với dòng điện sét có trị số khoảng 50kA, còn sét có trị số từ 50 100 kA có thể xảy ra nhưng ít, còn sét có dòng điện từ 100 kA trở lên rất hiếm khi xảy ra. Trị số này chỉ dùng để tính toán khi cần thiết bảo vệ chống sét cho các công trình có yêu cầu đặc biệt về nguy cơ gây ra cháy nổ. Dòng điện sét được đặc trưng bởi hai tham số quan trọng là biên độ dòng điện sét Is (Imax) và tốc độ đầu sóng a với a=. Ngoài ra chúng ta cần quan tâm tới thời gian đầu sóng và thời gian sóng . Thời gian đầu sóng là thời gian để cho dòng điện sét đạt đến trị số cực đại. Còn là thời gian để cho dòng điện sét phát triển cho tới khi giá trị cực đại giảm đi một nửa. Độ dốc cực đại của dòng điện sét thường không vượt quá 50 kA/.Biên độ dòng điện sét lớn thì độ dốc đầu sóng cũng lớn. Vì vậy với dòng điện sét tính toán 100 kA và lớn hơn thường lấy độ dốc đầu sóng trung bình là 30 kA/ , còn khi dòng điện sét tính toán nhỏ hơn 100 kA thì độ dốc đầu sóng lấy khoảng 10 kA/. Đặc điểm của quá điện áp khí quyển là tính chất ngắn hạn của nó. Phóng điện của sét chỉ kéo dài trong khoảng vài chục micro giây và điện áp tăng cao có đặc tính xung. 3- Các hậu quả của phóng điện sét . Đối với người và các súc vật, sét nguy hiểm là do nguồn điện áp cao và dòng điện sét lớn. Vì vậy gây nguy hiểm đến tính mạng khi sét đánh vào. Nhiều khi sét không phóng điện trực tiếp cũng gây nguy hiểm , bởi khi dòng điện sét đi qua vật nối đất gây nên sự chênh lệch thế khá lớn tại những vùng đất gần nhau. Vì vậy nếu người hay gia súc đứng gần nơi bị sét đánh có thể có điện áp lớn gây nguy hiểm tới người và gia súc. Dòng điện sét có nhiệt độ lớn, khi phóng vào các vật dễ cháy như tre, gỗ , nứa có thể gây nên đám cháy lớn. Điều này đặc biệt chú ý đối với việc bảo vệ các kho nhiên liệu và các vật liệu dễ nổ. Khi sét đánh vào các công trình, do tác động của dòng điện sét đi qua, nhà và các công trình sẽ bị hư hỏng về độ bền cơ học. Những đường dây tải điện trên không khi bị sét đánh, sóng quá điện áp sẽ truyền vào trạm có thể gây phá huỷ các thiết bị bên trong trạm nếu không có biện pháp bảo vệ an toàn. Cần chú ý là sét có thể gây cảm ứng lên các vật dẫn (cảm ứng tĩnh điện, cảm ứng điện tử) khi có phóng điện sét ở gần. Điện áp này có thể lên đến hàng chục kilôvôn do đó rất nguy hiểm. Như vậy sét có thể gây nguy hiểm trực tiếp và gián tiếp nên chúng ta cần nghiên cứu cách bảo vệ trực tiếp và gián tiếp. 3.8.2. Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp. Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các công trình thường 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 ). Gần đây trong kỹ thuật thu sét người ta đã áp dụng các đầu thu bằng đồng vị phóng xạ có phạm vi thu sét lớn hơn kim thu sét thông thường. Trên cơ sở nghiên cứu các mô hình người ta có thể xác định vùng bảo vệ của cột thu lôi. Khoảng không gian gần cột thu lôi mà vật được bảo vệ đặt trong đó rất ít khả năng bị sét đánh gọi là vùng hay phạm vi bảo vệ của cột thu lôi. 1- Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét. Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét (hình 8.2) là miền được giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có bán kính được xác định bởi phương trình : rx= Trong đó : h - độ cao cột thu sét. rx - bán kính của phạm vi bảơ vệ ở mức cao hx. hx - độ cao của vật cần bảo vệ. (h-hx) - Độ cao hiệu dụng của cột thu sét. Để thuận tiện cho việc tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hoá (hình 9-3a). Đường sinh của hình chóp tròn xoay có dạng đường gãy khúc. Một trong các đoạn của nó (ab) là phần đường thẳng nối từ đỉnh cột thu sét tới điểm trên mặt đất cách chân cột 0,75h , còn đoạn kia (bc) là phần đường thẳng nối từ điểm cao 0,8h trên thân cột tới điểm cách xa chân cột 1,5h. Từ hình vẽ ta thấy điểm b có độ cao h. Bán kính bảo vệ ở các độ cao khác nhau được tính toán theo các công thức sau đây : + Khi hx thì rx=1,5h(). + Khi hx thì rx=0,75h(). Các công thức trên chỉ dùng trong trường hợp cột thu sét cao tới 30 m . Hiệu quả của cột thu sét cao hơn 30 m sẽ bị giảm do độ cao định hướng của sét giữ hằng số. Có thể dùng các công thức trên để tính toán phạm vi bảo vệ nhưng phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh p= và trên hình vẽ dùng các hoành độ là 0,75hp và 1,5hp. hx a b c h 0,8h x x’ hx ha h rx rx Hình 8.2 : Phạm vi bảo vệ của một cột thu sét a, Phương pháp 1 b, Phương pháp 2 a) b) 2- Phạm vi bảo vệ của hai và nhiều cột thu sét. Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có kích thước lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ của hai cột đơn. Khu vực có xác suất 100% phóng điện vào cột thu sét có bán kính R=3,5h. Như vậy khi hai cột thu sét đặt cách nhau một khoảng là a=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 một khoảng là a<7h thì sẽ bảo vệ được độ cao h0 xác định bởi phương trình : h – h0 = hay là : h0 = h – . Mặt cắt thẳng đứng đi qua hai cột thu sét của phạm vi bảo vệ cho trên hình 8.3a : h a) r0x a/2 a/2 L x x’ h h0 hx h1 b) r0x ax a x x’ rx2 rx1 h0 hx h2 Cột thứ hai Cột giả tưởng Cột thứ nhất Hình 8.3 : Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét a, Khi hai cột có chiều cao bằng nhau b, Khi hai cột có chiều cao không bằng nhau Từ trên ta thấy các phần bên ngoài giống như trường hợp của một cột, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua ba điểm : hai đỉnh cột và điểm ở giữa có độ cao h0 . Mặt cắt thẳng đứng theo mặt phẳng vuông góc đặt giữa hai cột của phạm vi bảo vệ được vẽ giống như của một cột có độ cao h0 . Từ hai mặt cắt này ta có thể vẽ được mặt phẳng của phạm vi bảo vệ ở các mức cao khác nhau. Một công trình cần được bảo vệ an toàn bằng hai cột thu sét phải được nằm gọn trong phạm vi bảo vệ này, nghĩa là có độ cao công trình hxh0 = h - và mặt bằng công trình được giới hạn trong mặt bằng của phạm vi bảo vệ ở mức cao hx. Khi độ cao cột thu sét vượt quá 30m thì cũng có các hiệu chỉnh tương tự như trên và độ cao h0 được tính theo : h0 = h – . Cách vẽ phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có chiều cao khác nhau được trình bày như trên hình 8.3b. Trước tiên vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h1 , sau đó qua đỉnh cột thấp h2 vẽ đường thẳng ngang gặp đường sinh của phạm vi bảo vệ cột cao ở một điểm , điểm này được coi là đỉnh của cột thu sét giả tưởng , nó sẽ cùng với cột thấp hình thành đôi cột có độ cao bằng nhau (h2) với khoảng cách là a’. Khi công trình cần được bảo vệ chiếm khu vực rộng lớn, nếu chỉ dùng vài cột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn khi thi công và lắp ráp. Trong các trường hợp này sẽ dùng nhiều cột phối hợp bảo vệ. Phần ngoài của phạm vi bảo vệ được xác định như của từng đôi cột (yêu cầu khoảng cách a7h). Không cần vẽ phạm vi bảo vệ bên trong đa giác hình thành bởi các cột thu sét mà chỉ cần kiểm tra điều kiện bảo vệ an toàn. Vật có độ cao hx nằm trong đa giác sẽ được bảo vệ nếu thoả mãn điều kiện : D 8.(h – hx`) = 8.ha. Trong đó : D - đường kính đường tròn ngoại tiếp của đa giác hình thành bởi các cột thu sét. ha = h – hx - độ cao hiệu dụng của cột thu sét , là phần vượt cao hơn so với mức cao hx . 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 vượt quá 30m thì điều kiện bảo vệ trên được hiệu chỉnh theo công thức : D 8.(h – hx`).p = 8.ha.p. 8.2.3. Phạm vi bảo vệ của dây thu sét. Góc bảo vệ và phạm vi bảo vệ của dây thu sét như hình 8.4. Mặt cắt thẳng đứng theo phương vuông góc với dây thu sét của phạm vi bảo vệ được xác định tương tự như của cột thu sét có các hoành độ là 0,6h và1,2h . Chiều rộng của phạm vi bảo vệ ở mức cao hx cũng được tính theo cac công thức tương tự : + Khi hx thì bx=1,2.h.(). + Khi hx thì bx=0,6.h(). Do nửa chiều rộng của khu vực có xác suất 100% phóng điện vào dây thu sét là = 2.h nên khi dùng hai dây đặt cách nhau khoảng s = 4.h thì mọi điểm nằm trên mặt đất giữa hai dây này sẽ được bảo vệ an toàn và nếu khoảng cách s < 4.h thì có thể bảo vệ cho các điểm (giữa hai dây) có mức cao tới h0 = h - . a) h Hình 8.4: Góc bảo vệ và phạm vi bảo vệ của dây chống sét 2bx 1,2h 0,6h hx 2bx 0,8h Dây chống sét h b) 1,2h 0,6h bx a hx h0 h R c) Phần bên ngoài của phạm vi bảo vệ được xác định như trường hợp một dây, còn phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung vẽ qua ba điểm : hai điểm treo dây thu sét và điểm giữa có độ cao h0 = h - (Hình 8-4c). Dây thu sét thường được dùng để bảo vệ chống sét cho đường dây điện cao áp, vì độ treo cao trung bình của dây dẫn thường lớn hơn độ treo cao của dây thu sét (tỉ lệ bằng khoảng 0,8) nên không cần đề cập đến phạm vi bảo vệ mà biểu thị bằng góc bảo vệ (hình 8-4a) là góc giữa đường thẳng đứng với đường thẳng nối liền dây thu sét với dây dẫn. Có thể tính toán được trị số giới hạn của góc là 310 (tg = 0,6) và thực tế thường lấy khoảng 200 đến 250.