Các phương pháp nối đất chống sét trực tiếp

Điện trở suất của đất

Điện trở suất của đất được định nghĩa là điện trở của một đơn vị thể tích đất. Ký hiệu điện trở suất của đất là ρ, có đơn vị là Ωm.

Điện trở suất của đất phụ thuộc vào hàm lượng chất điện phân trong đất. Sự khác biệt về địa chất và sự thay đổi theo mùa trên một vị trí có thể rất lớn.

Đặc biệt đất đóng băng và đất khô là chất dẫn điện rất kém:

• Trong đất đóng băng, đặt điện cực nối đất đủ sâu để tiếp cận đất ẩm không bị đóng băng ngay cả trong mùa đông hoặc mùa khô. Làm điều này nếu bạn cần điện trở nối đất thấp vì lý do an toàn điện.
• Trong đất quá khô, thêm hóa chất tăng cường đất, còn được gọi là hợp chất đắp nền, xung quanh điện cực nối đất để nâng cao độ ẩm, hạ thấp điện trở đất.

Bảng 1. Giá trị điện trở suất của các loại đất và nước
Loại đất hoặc nước	Điện trở suất (Ωm)	Phạm vi thông thường (Ωm)
Nước biển	2	0,1… 10
Đất sét	40	8… 70
Giếng đất và nước suối	50	10… 150
Hỗn hợp đất sét và cát	100	4… 300
Đá phiến sét, đá phiến, đá sa thạch, v.v.	120	10… 1000
Than bùn, mùn và bùn	150	5… 250
Nước hồ và suối	250	100… 400
Cát	2000	200… 3000
Sỏi Moraine	3000	40… 10 000
Đá sỏi	15 000	3000… 30 000
Đá granit rắn	25 000	10 000… 50 000
Đá	100 000	10 000… 100 000

Bảng 2. Ảnh hưởng của độ ẩm
Độ ẩm (% trọng lượng)	Điện trở suất của đất sét trộn với cát (Ωm)
0	hơn 10 000 000
2,5	1500
5	430
10	185
15	105
20	63

Vật liệu điện làm cực nối đất

Sử dụng vật liệu chống ăn mòn để đảm bảo hoạt động lâu dài, liên tục:

• Đồng và thép không gỉ là tốt.
• Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt hơn đồng.
• Thép mạ đồng rẻ hơn đồng và thường có bán sẵn.
• Thép mạ kẽm nóng (với độ dày lớp phủ tối thiểu 60 µm) có giá thành rẻ và đặc biệt tốt ở vùng đất khô.
• Thép mạ kẽm có giá thành rẻ, nhưng không thực tế trong môi trường đất ăn mòn vì tuổi thọ ngắn.
• Các thanh thép không gỉ hoặc thép mạ kẽm được sử dụng trong nền móng bê tông cốt thép có thể được sử dụng làm điện cực nối đất, miễn là chúng được kết nối bằng điện với nhau, tốt nhất là bằng cách hàn.
• Dây rắn tròn và băng kim loại tấm có chiều rộng 2 đến 3 cm (0,8… 1,2 in) tốt trong đất khô, nhưng trong môi trường axit ăn mòn, mặn hoặc ẩm ướt, chúng cần được bảo dưỡng thường xuyên và có tuổi thọ ngắn.
• Không sử dụng thép trần hoặc nhôm trong các điện cực nối đất vì chúng bị ăn mòn nhanh.

Lắp đặt điện cực nối đất

Điện cực nối đất là các vật dẫn điện hay nhóm các vật dẫn điện được liên kết với nhau, chôn dưới đất và tiếp xúc trực tiếp với đất. Việc lắp đặt và bố trí điện cực nối đất bị ảnh hưởng bởi loại đất và điện trở nối đất, cũng như các yếu tố địa lý và các yêu cầu khác của địa điểm.

Hình dạng được ưu tiên là Y và X (còn được gọi là hình ngôi sao). Các vị trí cụ thể như ven đường hoặc các vị trí có không gian hạn chế có thể yêu cầu đường vòng (O) hoặc hình chữ T. Theo hình chữ T, hai điện cực nối đất nằm dọc theo đường và điện cực thứ ba đặt vuông góc với chúng cách xa đường. Hình chữ Y là tiết kiệm chi phí nhất. Để có trở kháng thấp hơn nữa, bạn có thể sử dụng hình chữ X. Hình dạng vòng lặp là một giải pháp thay thế khi không gian bị hạn chế hoặc bạn cần bảo vệ các cảm biến trong đất.

Để giảm sự gia tăng của điện thế đất, bạn có thể thêm một Vòng quanh các đầu nối.

Một giải pháp thực tế là tạo thành một ngôi sao với 3 hoặc 4 điện cực nối đất và kết nối tất cả chúng với một điểm trung tâm, chẳng hạn như đầu nối tiếp đất. Kết nối dây dẫn xuống và các dây nối đất khác (ví dụ: nguồn điện, tín hiệu và bộ triệt tiêu tạm thời) với đầu nối tiếp đất. Không sử dụng kết nối ngang hàng (daisy-chaining).

Phân bố đều các dây dẫn xung quanh cấu trúc được bảo vệ để giữ cho trở kháng của dây kết nối càng thấp càng tốt.

Độ sâu lắp đặt

Lắp đặt điện cực nối đất đến độ sâu được chỉ ra trong Bảng 1. Tùy theo độ ẩm của đất mà bạn có thể điều chỉnh độ sâu. Ví dụ, nếu đất rất khô, hãy lắp đặt điện cực nối đất sâu hơn.

Bảng 1. Độ sâu lắp đặt của điện cực nối đất
Loại điện cực nối đất	Độ sâu lắp đặt
Thanh nối đất	3 m (10 ft)
Điện cực nối đất nằm ngang	0,6 m (2 ft)

Tương ứng điện cực đất

Trong đất đồng nhất, điện trở nối đất của một thanh dài 3 m (10 ft) gần tương đương với 6 m (20 ft) của điện cực nối đất nằm ngang được chôn dưới đất khoảng 0,6 m (0,2 ft).

Một vòng dây có đường kính 6 m (20 ft) và ba điện cực 6 m (20 ft) trong một ngôi sao nằm ngang tương đương với ba thanh 3 m (10 ft) được điều khiển trong khoảng cách 7,5 m (25 ft). Trong thực tế, các dây kết nối của các thanh cũng được chôn tự tạo thành một ngôi sao nhỏ hơn để chúng giảm điện trở và trở kháng.

Chiều dài dây chôn có thể kéo dài đến vài chục mét (vài chục feet) với quan hệ gần như tuyến tính với giá trị điện trở nối đất. Trong đất rất nghèo, có thể cần chiều dài tối đa gần 50 m (150 ft) cho mỗi dây, nhưng sẽ tiết kiệm chi phí hơn nếu xử lý đất bằng phương pháp hóa học.

Bảng 1. Chiều dài và khoảng cách điện cực nối đất điển hình
Giá trị tối thiểu	Thanh nối đất	Điện cực nối đất nằm ngang
Chiều dài	Thường là 3 m (10 ft)	10… 30 m (33… 100 ft), phụ thuộc vào loại đất
Đường kính vòng	–	5… 6 m (16… 20 ft)
Khoảng cách	Min. 2 × chiều dài thanh	–

Chiều dài và khoảng cách của thanh nối đất

Chiều dài thanh nối đất tối ưu là 3 m (10 ft).

Khoảng cách tối thiểu theo phương ngang của các thanh nối đất bằng hai lần chiều dài của thanh: 6 m đối với thanh 3m (20 ft đối với thanh 10 ft).

Khoảng cách gần hơn có nghĩa là hiệu suất lãng phí trong điện trở nối đất vì thể tích đất hiệu quả của chúng chồng lên nhau, làm giảm hiệu quả.

Chiều dài của điện cực nối đất nằm ngang

Chiều dài của điện cực nối đất nằm ngang thường là 10 đến 30 m (33… 100 ft).

Trong đất nông hoặc đất đá, ba miếng điện cực nối đất nằm ngang 10 m (33 ft) giúp nối đất trở kháng thấp tốt. Nếu lớp đất mặt ẩm và có điện trở suất thấp, bạn có thể sử dụng các điện cực ngắn hơn nữa, nhưng tốt nhất là không ngắn hơn 6 m (20 ft) mỗi điện cực.

Một vòng dây chôn có đường kính 5… 6 m (16… 20 ft) phù hợp với nền móng cột đơn hoặc khi bố trí xung quanh một bộ thiết bị đặt cách nhau gần nhau. Sắp xếp ít nhất hai điểm kết nối trên vòng lặp, bằng cách tạo vòng lặp ra khỏi hai dây riêng biệt và để các đầu dây ở trên bề mặt.

Kết nối

Sử dụng các kết nối bắt vít ở những nơi mà chúng có thể được kiểm tra định kỳ. Sử dụng hàn hóa nhiệt hoặc kẹp thủy lực trong các kết nối ngầm.

Lưu ý: Việc lắp đặt điện cực nối đất được trình bày ở đây mô tả các nguyên tắc và ví dụ chung, và cần được sửa đổi trong việc lắp đặt tại hiện trường theo các yêu cầu và điều kiện riêng của địa điểm.

Lắp đặt điện cực nối đất nằm ngang trong lớp đất mặt nông

Sử dụng điện cực nối đất nằm ngang khi lớp đất mặt nông. Các điện cực nối đất nằm ngang phân phối dòng điện sét đến một vùng đất rộng lớn rất hiệu quả với nguy cơ điện áp bước nguy hiểm nhỏ.

• Định tuyến các điện cực nối đất từ ​​đầu nối tiếp đất ở chân cột đến từng móng dây.
• Sử dụng hai hoặc ba điện cực. Sử dụng nhiều điện cực hơn sẽ làm giảm trở kháng.
• Chôn các điện cực nối đất xuống sâu tối thiểu 0,6 m (2 ft) và kết nối chúng với các đầu dưới của dây dẫn.
• Nếu đất rất khô, hãy kéo dài các điện cực ra xa hơn và / hoặc chôn sâu hơn đến nơi đất ẩm.
• Để giảm điện trở, hãy kết thúc các đầu bằng các thanh nối đất thẳng đứng nếu đất cho phép hoặc sử dụng các hợp chất đắp để tăng độ dẫn điện của đất.

Các điện cực không cần cách đều nhau. Bạn có thể hướng dòng điện quá độ đến hướng mong muốn nhất, ví dụ như cách xa các tòa nhà hoặc thiết bị khác, hoặc hướng đến đất dẫn điện tốt hơn bằng cách bố trí các dây dẫn theo hướng đó.

Lưu ý: Không làm cho các dây chạy song song dài hơn mức cần thiết

Sử dụng điện cực nối đất trong đó một điện cực dài hơn 50 m (164 ft) không hữu ích. Điện cực dài hơn không mang lại kết quả tốt hơn.

Lắp đặt điện cực vòng trong lớp đất mặt nông

Sử dụng điện cực nối đất nằm ngang làm vòng lặp khi đất nông hoặc có nhiều đá.

• Luồn cáp nối đất từ ​​đầu nối tiếp đất ở chân cột đến xung quanh cột.
• Vùi điện cực xuống đất sâu tối thiểu 60 cm (2 ft) hoặc vào đất ẩm, tạo một vòng dây có đường kính 5… 6 m (16… 20 ft) với điện cực. Dây Guy không cần thiết.
• Kết nối vòng lặp với cột bằng hai hoặc nhiều điện cực nối đất.
• Để tăng diện tích tiêu tán dòng điện và giảm thiểu trở kháng đất, hãy tăng cường vòng lặp với các xuyên tâm nằm ngang.
• Lưu ý: Không làm cho các dây chạy song song lâu hơn mức cần thiết

Lắp đặt điện cực vòng lặp để bảo vệ cảm biến

Sử dụng điện cực nối đất nằm ngang như một vòng lặp để bảo vệ các cảm biến đất, ví dụ như cảm biến độ ẩm của đất. Vòng lặp ngăn chặn sự chênh lệch điện áp phá hủy các cảm biến và giảm thiểu ảnh hưởng của dòng đất liên tục (59/60 Hz hum) đến các kết quả đọc.

• Luồn cáp nối đất từ ​​đầu nối tiếp đất ở chân cột đến xung quanh cột.
• Vùi điện cực, tạo một vòng dây có đường kính 5… 6 m (16… 20 ft) với điện cực. Dây Guy không cần thiết.
• Đảm bảo điện cực vòng được chôn xung quanh các cảm biến.
• Kết nối vòng lặp với cột buồm bằng hai hoặc nhiều kết nối.
• Lưu ý: Không làm cho các dây chạy song song lâu hơn mức cần thiết.

Lắp đặt điện cực tấm trong đất đá hoặc đá trần

Sử dụng một điện cực tấm trên đá trần. Điện cực phân phối xung sét, mặc dù điện trở nối đất vẫn cao.

Lưu ý: Đá là chất cách điện nên không được khoan lỗ trên đá để làm chỗ tiếp đất.

• Hướng cáp nối đất từ ​​đầu nối tiếp đất ở chân cột đến hướng mong muốn nhất cách xa cột.
• Đặt một tấm điện cực trên bề mặt của tảng đá.
• Để đảm bảo tấm luôn cố định ngay cả khi mùa đông và gió lớn, hãy cố định tấm vào đá bằng bu lông hoặc bằng cách đặt đất và đá vào các góc của tấm.
• Hướng dẫn và hàn điện cực vào tấm. Khoảng cách của tấm từ cột có thể thay đổi tùy thuộc vào đặc điểm của địa điểm. Giữ điện cực càng ngắn càng tốt.

Lắp đặt điện cực nối đất trong đất đá

Sử dụng điện cực nối đất nằm ngang khi có một ít đất trên bề mặt đá. Trải các điện cực xung quanh cột.

• Hướng các điện cực từ đầu nối tiếp đất ở chân cột đến hướng mong muốn nhất cách xa cột.
• Sử dụng hai hoặc ba điện cực. Sử dụng nhiều điện cực hơn sẽ làm giảm trở kháng.
• Trải các điện cực nối đất lên bề mặt đá và chôn vào các mảng đất hoặc cố định bằng kẹp vào đá.
• Che phủ một diện tích bề mặt rộng để làm điện cực nối đất điện dung trở kháng thấp.

Lắp đặt điện cực nối đất trong đất ẩm và mềm

Sử dụng điện cực nối đất nằm ngang, thanh nối đất và giếng tiếp cận khi đất mềm và ẩm. Hệ thống này được xây dựng nhanh chóng, nhưng trở kháng khá cao mặc dù điện trở nối đất nằm trong thông số kỹ thuật. Đó là bởi vì hai đến ba thanh phân phối dòng điện đến một khu vực khá nhỏ, gây ra điện áp bước cao.

• Hướng các điện cực nối đất nằm ngang từ đầu nối tiếp đất ở chân cột lên mặt đất và hướng tới các giếng tiếp cận. Vùi các điện cực xuống đất sâu tối thiểu 60 cm (2 ft) hoặc vào đất ẩm.
• Sử dụng hai hoặc ba điện cực nối đất.
• Khoảng cách tối thiểu của các thanh là ít nhất hai lần chiều dài thanh, tốt hơn là nhiều hơn. Nếu chiều dài thanh là 2,5… 3 m (8… 10 ft), thì khoảng cách phải là 6… 8 m (20… 26 ft).
• Để giảm trở kháng, hãy sử dụng nhiều điện cực hơn, kéo dài các điện cực ra xa hơn và / hoặc chôn chúng sâu hơn ở nơi đất ẩm.
• Vùi các thanh nối đất vào đất sâu tối thiểu 3 m (10 ft) gần với nơi bạn đặt các điện cực nối đất nằm ngang.
• Nối các điện cực nối đất nằm ngang với các thanh nối đất trên mặt đất bằng hàn tỏa nhiệt hoặc bu lông.
• Nếu bạn sử dụng các kết nối bắt vít, hãy lắp đặt các giếng tiếp cận xung quanh các điểm kết nối để bảo vệ các kết nối khỏi bị ẩm.
• Nếu bạn sử dụng hàn tỏa nhiệt trong các mối nối, thì không cần các giếng tiếp cận.
• Lưu ý: Kiểm tra các giếng tiếp cận và các kết nối bắt vít thường xuyên.

Các điện cực không cần cách đều nhau. Bạn có thể hướng dòng điện quá độ đến hướng mong muốn nhất, ví dụ như cách xa các tòa nhà hoặc thiết bị khác, hoặc hướng đến đất dẫn điện tốt hơn bằng cách bố trí các dây dẫn theo hướng đó.

Khoảng cách tối thiểu của các thanh nối đất là hai lần chiều dài thanh truyền. Nếu không, thể tích đất hữu hiệu của chúng chồng lên nhau, làm giảm hiệu quả.

Sử dụng các giếng tiếp cận để bảo vệ các kết nối và giúp bảo trì. Giếng tiếp cận phải có chỗ để tay và dụng cụ để có thể kiểm tra và siết chặt các mối nối nếu cần thiết.

Ví dụ, vật liệu của giếng tiếp cận có thể là kim loại, bê tông hoặc nhựa. Bạn có thể mua giếng tiếp cận hoặc tự xây, sử dụng ống nhựa có nắp đậy cách nước.

Hình dưới đây cho thấy việc lắp đặt thanh nối đất trong giếng tiếp cận.

1 Truy cập tốt

2 Vấu nén

3 Thanh nối đất

4 Cáp nối đất

Lắp đặt điện cực nối đất ở đầm lầy hoặc đầm lầy mặn

Sử dụng điện cực nối đất nằm ngang, thanh nối đất và giếng tiếp cận khi đất mềm và ẩm. Do điện trở của đất rất thấp, một hoặc hai thanh nối đất là đủ. Ở những khu vực đông dân cư, sử dụng hai đến bốn thanh nối đất để tránh điện áp bước cao.

• Định tuyến các điện cực nối đất nằm ngang từ đầu nối tiếp đất ở chân cột đến các giếng tiếp cận. Bạn có thể hướng dẫn dòng điện quá độ theo hướng mong muốn nhất.
• Sử dụng một hoặc hai điện cực nối đất.

Lưu ý: Không làm cho các dây chạy song song lâu hơn mức cần thiết

• Nếu bạn sử dụng hai thanh nối đất, hãy đặt chúng sao cho khoảng cách tối thiểu bằng hai lần chiều dài thanh.
• Vùi các thanh nối đất vào đất sâu tối thiểu 3 m (10 ft) gần với nơi bạn đặt các điện cực nối đất nằm ngang.
• Nối các điện cực nối đất nằm ngang với các thanh nối đất trên mặt đất bằng hàn tỏa nhiệt hoặc bu lông.
• Nếu bạn sử dụng các kết nối bắt vít, hãy lắp đặt các giếng tiếp cận xung quanh các điểm kết nối để bảo vệ các kết nối khỏi bị ẩm.
• Nếu bạn sử dụng hàn tỏa nhiệt trong các mối nối, thì không cần các giếng tiếp cận.

Lắp đặt điện cực nối đất trên Bờ biển hoặc Đảo

Sử dụng điện cực ngang để lắp đặt gần bờ biển hoặc trên một hòn đảo. Nước biển mặn cung cấp cho việc nối đất trở kháng thấp.

• Sử dụng đồng, đồng và thép không gỉ.
• Để giảm trở kháng, hãy sử dụng hai điện cực nối đất nếu có thể.
• Sử dụng các điện cực dài ít nhất 2… 3 m (6,6… 10 ft).
• Hướng các điện cực nối đất từ ​​đầu nối tiếp đất ở chân cột buồm đến hướng mong muốn nhất về phía biển.
• Gắn các điện cực vào một điểm cố định nếu biển động hoặc có nguy cơ hình thành băng.
• Đảm bảo điện cực luôn chìm trong nước, ngay cả khi thủy triều xuống và các biến thể mực nước biển khác.
• Kiểm tra thiết bị thường xuyên xem có bị ăn mòn không. Ngay cả một lượng nhỏ nhất của dòng điện rò rỉ từ thiết bị xuống đất cũng khiến điện cực bị ăn mòn rất nhanh.

Trong nước ngọt, sử dụng một điện cực ngập nước dài hơn một chút, 5… 10 m (16… 33 ft).

Tài liệu tham khảo

Tiêu chuẩn quốc tế IEC 62305 Series: Chống sét

1. • IEC 62305-1: Phần 1: Nguyên tắc chung
   • IEC 62305-2: Phần 2: Quản lý rủi ro
   • IEC 62305-3: Phần 3: Hư hỏng vật lý đối với kết cấu và nguy hiểm tính mạng
   • IEC 62305-4: Phần 4: Hệ thống điện tử trong cấu trúc
   • IEC 62305-5: Phần 5: Dịch vụ

Tiêu chuẩn quốc tế Cenelec về các thành phần chống sét:

1. • EN 50164-1: Phần 1: Yêu cầu đối với các thành phần kết nối
   • EN 50164-2: Phần 2: Yêu cầu đối với dây dẫn và điện cực đất 
   • Underwriters Laboratories, Inc., (UL); Yêu cầu lắp đặt đối với hệ thống chống sét, UL 96A

Xem thêm: Chống sét trực tiếp hệ thống điện mặt trời

Xem thêm: Chống sét lan truyền hệ thống điện mặt trời