Sự cần thiết của phòng cháy nổ chống sét

Nguyên tắc chung phòng cháy nổ chống sét

Các công trình có nguy cơ cháy nổ cao như nhà máy sản xuất thuốc nổ, kho chứa nhiên liệu … cần sự bảo vệ cao nhất khỏi các nguy cơ bị sét đánh.
Đối với các công trình khác, sự bảo vệ chống sét là rất rõ ràng, ví dụ:
1. Nơi tụ họp đông người;
2. Nơi cần phải bảo vệ các dịch vụ công cộng thiết yếu;
3. Nơi mà quanh khu vực đó thường xuyên xảy ra sét đánh;
4. Nơi có kết cấu rất cao hoặc đứng độc lập một mình;
5. Nơi có các công trình có giá trị văn hóa hoặc lịch sử;
6. Nơi có chứa các loại vật liệu dễ cháy hoặc nổ.

Phòng cháy nổ chống sét cho nhà và công trình là điều cần thiết

Tuy nhiên, trong rất nhiều trường hợp thì không thể quyết định công trình có hay không có hệ thống chống sét. Bởi vậy, trong các trường hợp đó cần xem xét về nhiều yếu tố ảnh hưởng đến xác suất sét đánh và các phân tích về hậu quả của nó.

Xác định xác suất sét đánh vào công trình

Xác suất sét đánh vào công trình trong một năm P được xác định như sau:

                             P = AcxNgx10-6                                                                              (3.1)

Trong đó:
Ng : Mật độ sét phóng xuống đất – là số lần sét phóng xuống mặt đất trên 1 km2 trong 1 năm;

Ac: Diện tích thu sét hữu dụng, m2;
Diện tích thu sét hữu dụng của một kết cấu là diện tích mặt bằng của các công trình kéo dài trên tất cả các hướng có tính đến chiều cao của nó. Cạnh của diện tích thu sét hữu dụng được mở rộng ra từ cạnh của kết cấu một khoảng bằng chiều cao của kết cấu tại điểm tính chiều cao.
Ví dụ, một tòa nhà hình hộp chữ nhật đơn giản có chiều dài L, chiều rộng W, chiều cao H (đơn vị tính là m), thì diện tích thu sét hữu dụng có độ dài (L+2H) m và chiều rộng (W+2H) m với 4 góc tròn tạo bởi 1/4 đường tròn có bán kính H. Như vậy diện tích thu sét hữu dụng Ac sẽ là:

                  Ac = LW + 2LH + 2WH + H2                                                               (3.2)
Bảng 3.1 một số dạng công trình và phương pháp tính diện tích thu sét hữu dụng.

Xác định xác suất sét đánh tổng hợp

Xác suất sét đánh tổng hợp xác định theo biểu thức:

                      Pth = PxAxBxCxDxE                                                                        (3.3)
Trong đó:
P: Xác suất sét đánh vào công trình trong một năm;
A, B, C, D, E: Các hệ điều chỉnh, được cho ở phụ lục từ bảng 21 đến bảng 25.

Sau khi xác định xác suất sét đánh tổng hợp, so sánh với xác suất sét đánh cho phép P0=10-5. Nếu xác suất sét đánh tổng hợp lớn hơn xác suất sét đánh cho phép trong một năm thì công trình cần phải có hệ thống chống sét.

Bảo vệ chống sét đánh thẳng cho nhà và công trình

Cấu tạo của hệ thống phòng cháy nổ chống sét

Cấu tạo của hệ thống phòng cháy nổ chống sét

Cấu tạo của hệ thống chống sét gồm 3 bộ phận: Thiết bị thu sét (kim thu sét, lưới thu sét, lồng Paraday…); dây dẫn dòng điện sét (nối từ thiết bị thu sét với bộ nối đất); bộ phận nối đất.

Thiết bị thu sét phòng cháy nổ

Kim thu sét được chế tạo bằng thép thanh, thép góc, thép tròn mạ kẽm, thiếc hay sơn chống gỉ. Tiết diện nhỏ nhất của kim thu sét là 100mm2 để đảm bảo duy trì được dòng điện lớn của sét. Các thiết bị như ống khói, ống thải, các ống kim loại khác của công trình, mái nhà, chụp quay ở ống khói (nếu chúng không thải hơi, khí cháy) và các bộ phận kim loại khác của công trình đều cho phép sử dụng làm kim thu sét. Nếu dùng thu sét dây phải dùng loại dây thép mạ kẽm đường kính lớn hơn 7mm.
Nếu như bộ phận thu sét có cấu tạo kiểu lưới thường sử dụng dây thép tròn hàn thành các ô diện tích tới 36m2 (6 x 6m hay 3 x 12m) đối với nhà, công trình hạng I, II đối với nhà hạng III tới 50m2, dây mối nối phải được hàn chắc chắn.

Dây dẫn sét phòng cháy nổ

Dây dẫn sét làm bằng thép mạ kẽm, sơn chống gỉ. Không được dùng dây thép nhiều sợi vì mỗi sợi nhỏ không được mạ kẽm sẽ chóng bị gỉ, hạn chế khả năng dẫn điện. Tiết diện nhỏ nhất của dây dẫn điện, sét (làm từ thép góc hay thép thanh đặt trong không khí là 48 mm2. Dây dẫn điện sét làm từ thép tròn đường kính nhỏ nhất là 8mm. Có thể dùng các bộ phận kim loại của công trình, cốt thép của bê tông, thang chữa cháy ngoài nhà, cột sắt, thành bể chứa làm dây dẫn điện sét. Các mối nối của dây dẫn điện sét phải được hàn chắc chắn. Đối với công trình hạng III cho phép nối dây điện sét bằng bulông. Ở các mối nối không sơn mà phải mạ thiếc.
Chỗ tiếp xúc giữa các dây dẫn điện sét và bộ nối đất phải thực hiện bằng phương pháp hàn.
Dây dẫn điện sét từ kim thu sét tới bộ nối đất phải đặt theo đường ngắn nhất.

Bộ nối đất phòng cháy nổ

Bộ nối đất hay các điện cực của thiết bị chống sét đặt trong môi trường dẫn điện tốt được bố trí theo hai kiểu nối đất đơn và nối đất kết hợp.
Nối đất kiểu đơn tức là dùng các ống thép để nối đất, các điện cực làm từ thép tròn, thép góc, thanh thép mỏng, tấm thép. Nối đất kết hợp có cấu tạo từ các nối đất đơn làm bằng thép góc, thép hình trụ, thép thanh mỏng.
Các bộ nối đất có thể khác nhau về hình dạng các điện cực, phương pháp đặt chúng trong đất.
– Bộ nối đất thẳng đứng là tập hợp các thanh thép tròn, thép góc, thép ống đóng xuống đất. Bộ nối đất thẳng đứng dài từ 2 đến 3 mét được sử dụng trong vùng đất sét, đất hỗn hợp (khi điện trở suất của đất ρ ≤ 5.102 Ωm ). Các điện cực của nó làm bằng thép góc có chiều rộng 60mm, dày 4mm, thép tròn đường kính là 12- 20mm, nếu thép ống, chiều dày lớn hơn 3,5mm đặt sâu dưới đất 0,5 đến 0,6 m.
– Bộ nối đất đặt nằm ngang được làm bằng thanh thép dẹt, thép tròn, thép góc. Loại này sử dụng ở nơi độ ẩm lớp đất trên cùng ổn định hoặc ở những nơi không có điều kiện đặt sâu. Nếu dùng thép hình bất kì tiết diện 160 mm2 (ví dụ thanh thép 40×4) đặt sâu trong đất 0,6 đến 0,8mm ở dạng một tia hay chùm tia đi ra từ một điểm, chiều dài mỗi tia từ chỗ nối với dây dẫn điện sét không quá 25 đến 30m.
Các điện cực của bộ nối đất được nối với dây dẫn điện sét bằng phương pháp hàn.
– Các bộ nối đất kết hợp có cấu tạo từ nối đất thẳng đứng và nối đất nằm ngang tạo thành hệ thống nối đất chung.
– Các bộ nối đất dưới lòng đất làm bằng thép thanh hay tròn đặt nằm ngang tạo thành hệ thống nối đất chung.
– Các bộ nối đất đặt dưới lòng đất làm bằng thép thanh hay thép tròn đặt nằm ngang ở đáy móng, dải theo chiều hay vòng theo chu vi móng.

Vùng bảo vệ, góc bảo vệ của cột thu lôi phòng cháy nổ chống sét

Cột thu lôi chống sét đánh gây thiệt hại

Vùng bảo vệ phòng cháy nổ chống sét

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 nhà và công trình 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.
Kích thước và hình dáng của vùng bảo vệ thay đổi theo chiều cao của ngôi nhà hoặc chiều cao của các thiết bị thu sét thẳng đứng.
Vùng bảo vệ của các bộ phận thu dẫn sét thẳng đứng từ dưới mặt đất lên được xác định là thể tích tạo bởi một hình nón với đỉnh của nó nằm ở đỉnh bộ phận thu sét và đáy nằm dưới mặt đất. Vùng bảo vệ của các bộ phận thu sét ngang được xác định bởi không gian tạo bới hình nón có đỉnh nằm trên dây thu sét ngang chạy từ điểm đầu đến điểm cuối.

Góc bảo vệ phòng cháy nổ chống sét

Để xác định vùng bảo vệ của hệ thống chống sét cho các ngôi nhà và công trình dựa trên góc bảo vệ . Góc bảo vệ là góc tạo bởi giữa cạnh của hình nón với phương thẳng đứng tại đỉnh của hình nón.
Độ lớn của góc bảo vệ không thể xác định được một cách chính xác vì nó phụ thuộc vào độ lớn của cú sét đánh, nhưng có thể khẳng định một cách chắc chắn là khả năng bảo vệ của hệ thống chống sét sẽ tăng lên khi góc bảo vệ giảm đi.

Tính toán nối đất bảo vệ của hệ thống phòng cháy nổ chống sét

Bài toán đặt ra:
Từ sơ đồ thiết kế hệ thống chống sét bảo vệ nhà và công trình. Chúng ta xác định được:
– Hình thức nối đất (khi đặt các cọc theo chu vi mạch vòng hay khi đặt các cọc thành dẫy).
– Số lượng cọc tiếp địa (n); chiều dài cọc (l); cấu tạo cọc (thép tròn hay thép dẹt).
– Chiều dài thanh ngang (liên kết các cọc với nhau theo chu vi mạch vòng hay khi liên kết các cọc thành dẫy).
– Xác định được chiều cao chôn cọc so với mặt nền.

– Điện trở suất tính toán  ρtt

– Điện trở cho phép Rcp.

Yêu cầu: Tính toán điện trở của hệ thống nối đất bảo vệ R so sánh với điện trở nối đất cho phép Rcp từ đó đưa ra kết luận (hệ thống nối đất đảm bảo yêu cầu hay không đảm bảo yêu cầu).
Trình tự tính toán:
Bước 1: Xác định điện trở khuếch tán của 1 cọc R1c:

Trong đó:
l: chiều dài cọc, m;
d: đường kính cọc, m;
t: chiều sâu của cọc, tính từ mặt đất tới điểm giữa của cọc, m;
ρtt : điện trở suất tính toán, Ω.m.
Điện trở suất tính toán được xác định theo biểu thức:

  ρtt = Km. ρđo                                                                                                    (3.5)
Ở đây:
Km – hệ số mùa;
ρđo – điện trở suất đo tại thời điểm thiết kế hệ thống nối đất, Ω.m.
Đối với thép góc có bề rộng của cạnh là b, đường kính ngoài đẳng trị được tính: d = 0,95b.
Thông thường người ta hay dùng thép góc L60x60x6 mm và L50x50x5 mm dài 2,5 m. Điện trở khuếch tán của một cọc có thể xác định theo các công thức gần đúng sau:
– L60x60x6 mm:

R1c = 0,298., Ω                                                                                              (3.6a)

– L50x50x5 mm:

R1c  = 0,138., Ω                                                                                             (3.6b)

Bước 2: Xác định điện trở khuếch tán của (n) cọc Rc:

Trong đó:

n: số lượng cọc tiếp địa;

ηc: hệ số sử dụng cọc.

Bước 3: Xác định điện trở khuếch tán thanh nối nằm ngang Rt:
– Thanh nối là thép dẹt:

– Thanh nối là thép tròn :

Trong đó :
ρtt: điện trở suất tính toán, Ω.m;
L: chiều dài thanh nối nằm ngang, m;
b: chiều rộng thanh nối, m (thường lấy b = 4 cm);
t: chiều sâu đặt thanh nối so với mặt đất, m (thường lấy t = 0,8 m);
d: đường kính thanh nối, m.
Bước 4: Xác định điện trở khuếch tán thanh nối có xét đến hệ số sử dụng thanh Rt :

Ở đây: : hệ số sử dụng thanh nối.
Bước 5: Xác định điện trở khuếch tán của hệ thống nối đất bảo vệ R:

Bước 6: So sánh điện trở của hệ thống nối đất bảo vệ R với điện trở cho phép Rcp, từ đó đưa ra kết luận:
– Nếu R ≤ Rcp hệ thống nối đất bảo vệ chống sét đảm bảo yêu cầu;
– Nếu R > Rcp hệ thống nối đất bảo vệ chống sét không đảm bảo yêu cầu.
Để đảm bảo yêu cầu, giải pháp đưa ra có thể là: Tăng số lượng cọc tiếp địa; thay đổi hình dáng của hệ thống nối đất; có thể liên kết với hệ thống nối đất an toàn nếu công trình đó được tiêu chuẩn cho phép v.v…