Các giải pháp phòng chống sét đánh trực tiếp cho nhà và công trình - Lương Anh Tuấn

12 TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO NHÀ VÀ CÔNG TRÌNH Th.S Lương Anh Tuấn Khoa phòng cháy - Trường Đại học PCCC Email: anhtuank2pccc@gmail.com Tóm tắt: Khi kinh tế - xã hội ngày càng phát triển thì các công trình cao tầng được xây dựng càng nhiều, phục vụ cho các yêu cầu về kinh tế, xã hội. Các nhà cao tầng như vậy cũng rất dễ bị ảnh hưởng bởi sét đánh, do đó cần có các biện pháp chống sét cho nhà và công trình. Từ khóa: Chống sét, sét, dông sét, phóng điện dông, sét đánh trực tiếp, phòng chống. I. BỔ SUNG Sét (hay còn gọi là sự phóng điện dông) là một nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất xảy ra trong tự nhiên. Nguyên nhân làm xuất hiện sét là do sự hình thành các điện tích khối lớn. Nguồn sét chính là các đám mây mưa dông mang điện tích dương và âm ở các phần trên và dưới của đám mây, chúng tạo ra xung quanh đám mây này một điện trường có cường độ lớn. Sự hình thành các điện tích khối với các cực tính khác nhau trong đám mây (hay còn gọi là sự phân cực của đám mây) có liên quan đến sự ngưng tụ do làm lạnh hơi nước của luồng không khí nóng đi lên, tạo ra các ion dương và âm (các trung tâm ngưng tụ) và liên quan đến cả sự phân chia các giọt nước mang điện trong đám mây dưới tác dụng mạnh của luồng không khí nóng đi lên. Trong quá trình tích luỹ các điện tích có phân cực khác nhau, một điện trường với cường độ luôn được gia tăng hình thành xung quanh đám mây. Khi Gradient điện thế ở một điểm bất kỳ của đám mây đạt giá trị tới hạn về tính chất cách điện của không khí (với áp lực khí quyển bình thường, khoảng 3.106 V/m) ở đó xảy ra sự đánh xuyên hay sét tiên đạo. Sét có thể gây thương tích cho con người và phá hủy nhà cửa qua nhiều cách thức khác nhau. Thứ nhất, sét có thể đánh thẳng vào vị trí nạn nhân từ trên đám mây xuống. Cách thứ hai, khi nạn nhân đứng cạnh vật bị sét đánh, sét có thể phóng qua khoảng cách không khí giữa người và vật. Trong trường hợp này gọi là sét đánh tạt ngang. Ngoài ra, sét đánh khi nạn nhân tiếp xúc với vật bị sét đánh. Cách thứ tư là điện thế bước, khi người tiếp xúc với 13TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ mặt đất ở một vài điểm trong khi sét lan truyền trên mặt đất. Cuối cùng, sét có thể lan truyền qua đường dây cáp tới các vật như điện thoại, tivi, ổ cắm. Sét có thể đánh trực tiếp phá huỷ nhà cửa và công trình. Tác dụng nhiệt sẽ nguy hiểm trong trường hợp tại vị trí tiếp xúc có những vật dễ cháy, có thể xảy ra hoả hoạn. Qua số liệu khảo sát của Viện khoa học khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu thấy rằng trung bình dông sét trên 3 miền Bắc – Trung – Nam kết quả đã lập được bảng phân vùng dông sét toàn Việt Nam Bảng 1 – Bảng phân vùng dông sét. Từ các số liệu về ngày giờ dông số lượng đo lường nghiên cứu đã thực hiện qua các giai đoạn có thể tính toán đưa ra các số liệu 2 quả đã lập được bảng phân vùng dông sét toàn Việt Nam Bảng 1 – Bảng phân vùng dông sét. Vùng Ngày dông trung bình (ngày/ năm ) Giờ dông trung bình (giờ/ năm) Mật độ sét trung bình Thán g dông cực đại Đồng bằng ven biển 81.1 215.6 6.47 8 Miền núi trung du Bắc Bộ 61,6 219,1 6.33 7 Cao nguyên miền trung 47,6 126,2 1 3.31 5.8 Ven biển miền trung 44 95,2 3.55 5.8 đồng bằng miền Nam 60.1 89.32 5.37 5.9 Từ các số liệu về ngày giờ dông số lượng đo lường nghiên cứu đã thực hiện qua các giai đoạn có thể tính toán đưa ra các số liệu dự kiến về mật độ phóng điện xuống các khu vực. Bảng 2 : Mật độ phóng điện xuống các khu vực Số ngày dông Khuv ực đồng bằng ven biển miền bắc Khuvực miền núi trung du miền bắc Khu vực cao nguyên miền trung Khu vực ven biển miền trung Kh u vực đồn g bằn g miề n na m 20  40 2,43  4,68 2,1  4,2 1,2  2,4 1,22  2,44 1,26  2,52 4o  60 4,86  7,92 4,2  6,3 2,4  3,6 2,44  3,65 2,52  3,78 60  80 7,92  6,3  8,4 3,6  4,8 3,65  3,78  9,72 4,87 5,04 80  100 9,72  12,1 8,4  10,5 4,8 6,0 4,87  6,09 5,04  6,3 100  120 12,15 14,5 8 10,5 12,6 6,0 7,2 6,09  7,31 6,3  5,76 Hình 1 – Bản đồ mật độ sét trung bình năm của Việt Nam Qua những nghiên cứu tính hình giông sét ở Việt Nam và những tác hại của sét, việc bảo vệ chống sét cho nhà và công trình là không thể thiếu được. Vì vậy việc đầu tư lắp đặt hệ thống chống sét là cần thiết để nâng cao độ an toàn nhằm bảo vệ cho người và công trình. Sau đây tác giả xin giới thiệu một số phương pháp phòng chống sét hiện nay: dự kiến về mật độ phóng điện xuống các khu vực. Bảng 2 : Mật độ phóng điện xuống các khu vực Hình 1 – Bản đồ mật độ sét trung bình năm của Việt Nam 2 quả đã lập được bảng phân vùng dông sét toàn Việt Nam Bảng 1 – Bảng phân vùng dông sét. Vùng Ngày dông trung bình (ngày/ năm ) Giờ dông trung bình (giờ/ năm) Mật độ sét trung bình Thán g dông cực đại Đồng bằng ven biển 81.1 215.6 6.47 8 Miền núi trung du Bắc Bộ 61,6 219,1 6.33 7 Cao nguyên miền trung 47,6 126,2 1 3.31 5.8 Ven biển miền trung 44 95,2 3.55 5.8 đồng bằng miền Nam 60.1 89.32 5.37 5.9 Từ các số liệu về ngày giờ dông số lượng đo lường nghiên cứu đã thực hiện qua các giai đoạn có thể tính toán đưa ra các số liệu dự kiến về mật độ phóng điện xuống các khu vực. Bảng 2 : Mật độ phóng điện xuống các khu vực Hình 1 – Bản đồ mật độ sét trung bình năm của Việt Nam Qua những nghiên cứu tính hình giông sét ở Việt Nam và những tác hại của sét, việc bảo vệ chống sét cho nhà và công trình là không thể thiếu được. Vì vậy việc đầu tư lắp đặt hệ thống chống sét là cần thiết để nâng cao độ an toàn nhằm bảo vệ cho người và công trình. Sau đây tác giả xin giới thiệu một số phương pháp phòng chống sét hiện nay: Số ngày dông Khu vực đồng bằng ven biển miền bắc Khu vực miền núi trung du miền bắc Khu vực cao nguyên miền trung Khu vực ven biển miền trung Khu vực đồng bằng miền nam 20  40 2,43  4,68 2,1  4,2 1,2  2,4 1,22  2,44 1,26  2,52 4o  60 4,86  7,92 4,2  6,3 2,4  3,6 2,44  3,65 2,52  3,78 60  80 7,92  9,72 6,3  8,4 3,6  4,8 3,65  4,87 3,78  5,04 80  100 9,72  12,1 8,4  10,5 4,8 6,0 4,87  6,09 5,04  6,3 100  120 12,15 14,5 8 10,5 12,6 6,0 7,2 6,09  7,31 6,3  5,76 14 TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ Qua những nghiên cứu tính hình giông sét ở Việt Nam và những tác hại của sét, việc bảo vệ chống sét cho nhà và công trình là không thể thiếu được. Vì vậy việc đầu tư lắp đặt hệ thống chống sét là cần thiết để nâng cao độ an toàn nhằm bảo vệ cho người và công trình. Sau đây tác giả xin giới thiệu một số phương pháp phòng chống sét hiện nay: II. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÒNG CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP CHO NHÀ VÀ CÔNG TRÌNH Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp và thiết bị phòng chống sét được áp dụng. 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). Hình 2 – Cấu tạo của một hệ thống chống sét - 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. Trước hết là phương pháp dùng lồng Farađây - lồng kim loại bao kín khu vực bảo vệ. 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 Tuy nhiên, phương pháp này khá tốn kém và không khả thi khi áp dụng cho tất cả các công trình. 15TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ Hình 3 – Công trình được bảo vệ bằng phương pháp dùng lồng Faraday Tiếp đến là phương pháp chống sét truyền thống do Benjamin Franklin (1752) 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. Kiểm chứng trong 250 năm qua cho thấy phương pháp chống sét của Franklin và những hệ tương đương phương pháp này có thể giảm thiệt hại về nhà cửa nhưng lại không phân tán điện tích và không ngăn chặn tia sét. Hình 4 – Hệ thống chống sét cổ điển Franklin Bên cạnh đó, còn có những phương pháp chống sét khác nổi lên trong hàng chục năm gần đây như hệ phát xạ sớm, hệ ngăn chặn sét (hệ tiêu tán năng lượng sét), phương pháp hút sét bằng tia laser để chống sét cho các công trình hiện đại như kho chất nổ đạn dược, hạt nhân, các trung tâm máy tính quan trọng (trung tâm điều khiển bay, trung tâm điều hành mạng,...). 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 máy và các tòa nhà cao tầng. Cuối cùng, cần phải kể đến một dạng phương pháp được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây là dự báo dông sét sớm. Nhờ vào các thiết bị hiện đại như ra đa, vệ tinh, các hệ thống định vị phóng điện,... người ta có thể dự báo được khả năng có dông sét xảy ra tại khu vực trong khoảng thời gian từ 30 phút đến vài giờ. Các phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không, điện lực và bảo vệ an toàn cho con người.. III. Một số nguyên nhân dẫn đến hệ thống phòng chống sét không đảm bảo yêu cầu Theo khảo sát của Trung tâm đo lường miền Bắc đối với 943 hệ thống phòng chống sét. Kết quả cho thấy, hệ thống chống sét không đạt yêu cầu chiếm 11,94%. Nguyên nhân: do điện trở tiếp đất không đạt yêu cầu chiếm tỉ lệ 0,75%, kim thu sét bị xuống cấp, 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC QUẢN LÝ VÀ CÔNG NGHỆ phạm vi bảo vệ công trình không đảm bảo chiếm tỉ lệ 1,49%, dây thoát sét bị xuống cấp , hư hỏng chiếm tỉ lệ 9,7%. Sau đây là các nguyên nhân dẫn đến hệ thống chống sét không đảm bảo yêu cầu: - Đơn vị thiết kế không khảo sát điện trở suất của đất, do đó chưa thiết kế hệ thống phòng sét phù hợp vì vậy điện trở tiếp đất không đảm bảo yêu cầu. - Công trình sử dụng lâu năm, bị sự tác động của mưa bão, hệ thống chống sét bị han rỉ, xuống cấp, nhưng không được bảo dưỡng định kỳ nên nhiều công trình không đạt yêu cầu về kim thu sét và dây xuống. Mặt khác, các cọc nối đất cũng bị hoen rỉ làm tăng điện trở tiếp đất. - Một số nhà dân, tuy có điều kiện làm nhà cao tầng, nhưng khi thi công hệ thống phòng chống sét lại không có thiết kế trên cơ sở các chỉ tiêu kỹ thuật, thi công hệ thống phòng chống sét lại phụ thuộc vào sự tư vấn của người thợ thi công. Do đó, phạm vi bảo vệ của kim thu sét không đủ để bảo vệ toàn bộ ngôi nhà, dây thoát sét có đường kính nhỏ không đảm bảo để thoát sét. Đặc biệt, điện trở tiếp đất lại phụ thuộc hoàn toàn vào giá trị điện trở suất của đất, vì vậy nếu điện trở suất của đất thấp thì điện trở đạt yêu cầu nhưng ngược lại thì không đạt yêu cầu. - Một số nhà dân không hiểu biết về cách phòng chống sét nên không thi công hệ thống chống sét, nếu có lắp đặt thì chỉ làm qua loa, hoặc chỉ thi công phần kim để trang trí chứ không thi công phần mạng tiếp đất. Đối với các cồng trình này thì hoàn toàn không có khả năng phòng chống sét. Một hệ thống chống sét được tạo ra để bảo vệ kiến trúc một công trình xây dựng, nhằm tránh những thiệt hại bởi dòng sét gây ra (một dòng sét lên tới 200KA). Một hệ thống chống sét bảo vệ công trình bằng cách nó di chuyển dòng sét xuống dưới đất một cách nhanh chóng, thông qua một đường trở kháng thấp nhất (mà không đi qua một vật dẫn nào khác). Vì vậy, việc lắp đặt hệ thống chống sét rất quan trọng và cấp bách cho công trình. Để chọn được phương pháp cũng như vật tư chống sét phù hợp nhất, đòi hỏi bạn phải hiểu rõ, nắm về quy luật của hệ thống chống sét và cần tính toán sao cho hợp lý nhất cho từng công trình. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Chính phủ (2014), Nghị định số 79/2014/NĐ-CP ngày 31/07/2014 quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật PCCC và Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật PCCC 2. TCVN 9385-2012: Chống sét cho công trình xây dựng – Hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống. 3. NFC 17-102-2011: Protection of structures and of open areas against lightning using early streamer emission air terminals. 4. Lê Quang Hải, Lê Thanh Bình, Nguyễn Thanh Hải(2017), Giáo trình phòng cháy các thiết bị điện, Hà Nội.