Chống sét trực tiếp hệ thống điện mặt trời

Việt Nam thuộc một trong 3 khu vực tập trung nhiều dông, sét của thế giới với khoảng 2 triệu cú sét đánh xuống mỗi năm. Các tỉnh có mật độ dông, sét cao như Hải Dương, Hà Tĩnh, đồng bằng sông Cửu Long…. Nguyên nhân vì nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới có độ ẩm cao, lại gần biển, có đường bờ biển kéo dài nên gió từ biển đưa vào càng tăng thêm độ ẩm trong vùng đất liền, gây mưa dông.

Dòng điện xuất hiện trong một vụ sét đánh là cực kỳ cao, trung bình từ 10.000 đến 30.000A, thậm chí có thể vượt quá 200.000A. Hậu quả của sét đánh là khôn lường, không chỉ thiệt hại về người mà còn gây thiệt hại lớn về vật chất. Rất nhiều công trình đường dây tải điện, kho tàng, các thiết bị ngành bưu chính viễn thông, thiết bị nghiên cứu khoa học, thiết bị điện tử đã bị sét đánh hỏng gây thiệt hại rất lớn. Bảo vệ bản thân khỏi điều này bằng cách trang bị hệ thống chống sét đánh sẽ giúp bạn không phải lo lắng và đau lòng trong trường hợp bị sét đánh trực tiếp.

Chức năng của hệ thống chống sét

Chức năng của hệ thống thu và dẫn sét là thu hút sét đánh vào nó rồi chuyển dòng điện do sét tạo ra xuống đất một cách an toàn, tránh sét đánh vào các phần kết cấu khác cần được bảo vệ của công trình. Chính vì vậy, hệ thống chống sét phải được đặt đúng vị trí và có kích thước chính xác. Đó là giải pháp duy nhất để phóng dòng điện xuống đất một cách đáng tin cậy và nhanh chóng.

Một hệ thống chống sét tổng thể bao gồm chống sét trực tiếp (chống sét bên ngoài) và chống chống sét lan (truyền sét bên trong).

Chống sét trực tiếp là gì

Chống sét trực tiếp là phương pháp tạo ra một khung sườn bao phủ bên ngoài khu vực bảo vệ. Có 2 loại hệ thống trong phương pháp chống sét trực tiếp là:

Hệ thống chống sét chủ động: Kim thu sét phóng trực tiếp một luồng ion về phía đám mây khiến khả năng phóng điện có thể xảy ra trong đám mây bị tăng lên.

Hệ thống chống sét thụ động: Kim thu sét sẽ không kích động cú sét đánh thủng, nó không làm tăng khả năng phóng điện có thể xảy ra tại khu vực cần bảo vệ giống như hệ thống chống sét chủ động.

Các công trình phải chống sét trực tiếp

Theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9385:2012 chống sét cho công trình xây dựng – hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống quy định:

Các công trình có nguy cơ cháy nổ cao như nhà máy sản xuất thuốc nổ, kho chứa nhiên liệu hoặc tương đương cần sự bảo vệ cao nhất khỏi các nguy cơ bị sét đánh. Đối với các công trình khác, câu hỏi được đặt ra là có cần chống sét hay không. Trong nhiều trường hợp, yêu cầu cần thiết phải chống sét trực tiếp là bắt buộc, ví dụ:

• Nơi tụ họp đông người;
• Nơi cần phải bảo vệ các dịch vụ công cộng thiết yếu;
• Nơi mà quanh khu vực đó thường xuyên xảy ra sét đánh;
• Nơi có các kết cấu rất cao hoặc đứng đơn độc một mình;
• Nơi có các công trình có giá trị văn hóa hoặc lịch sử;
• Nơi có chứa các vật liệu dễ cháy, nổ.

Các bộ phận cơ bản của hệ thống chống sét

Các bộ phận cơ bản của hệ thống chống sét trực tiếp bao gồm

Một hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng kim chống sét cổ điển hay hiện đại đều phải có đầy đủ ba bộ phận chính là Bộ phận thu sét, Dây dẫn sét và hệ thống tiếp địa được liên kết với nhau.

Bộ phận thu sét

Là một bộ phận của hệ thống chống sét trực tiếp nhằm mục đích thu hút sét đánh vào nó. Kim thu sét thường được làm bằng kim loại như đồng, thép có độ dài từ 0,5 – 1,5m. Số lượng kim thu sét tùy thuộc vào chiều cao và kích thước công trình cần được bảo vệ .

Nguyên lý hoạt động của kim thu sét: Khi các đám mây mang điện tích tới sẽ hình thành các đường dẫn sét về phía mặt đất. Đầu kim thu sét tạo nên một sự khác biệt về điện thế giữa đầu kim và đám mây, từ đó tạo ra một đường dẫn tia điện tiên đạo phát xạ sớm từ đám mây hướng thẳng trực tiếp vào đầu kim mà không đánh vào những vùng khác.

Dây dẫn sét

Chức năng của dây dẫn sét là tạo ra một nhánh có điện trở thấp từ bộ phận thu sét xuống cực nối đất sao cho dòng điện sét được dẫn xuống đất một cách an toàn. Chất liệu làm dây dẫn sét có thể là đồng, thép… Dây đồng vẫn được dùng phổ biến hơn do đặc tính dẫn diện tốt, độ bền cao và giá cả phải chăng. Đối với dây đồng tiết diện tối thiểu là 50 mm2, đối với nhôm là 70 mm2.

Dây dẫn sét cần phải đi theo lối thẳng nhất có thể, khi sử dụng nhiều hơn một dây dẫn sét thì các dây dẫn sét cần được sắp xếp càng đều càng tốt xung quanh tường bao của công trình, bắt đầu từ các góc, tùy thuộc vào kiến trúc và khả năng thi công.

Hệ thống tiếp địa (Bộ phận cực nối đất)

Hệ thống tiếp địa là các thanh kim loại được làm bằng kim loại (sắt, thép, thép mạ kẽm, thép mạ đồng, đồng nguyên chất…) được chôn sâu xuống đất,  Các cọc được liên kết với nhau tạo thành một hệ thống lưới tiếp địa có điện trở không vượt quá 10 Ohm.

Khi sử dụng các thanh kim loại, chúng nên được đóng vào đất ngay bên dưới công trình và càng gần dây dẫn sét càng tốt. Khi các điều kiện về đất là thuận lợi cho việc sử dụng các thanh đứng song song với nhau, sự giảm bớt điện trở nối đất là nhỏ khi khoảng cách giữa các thanh nhỏ hơn chiều dài đóng vào đất. Trong quá trình đóng các thanh vào đất, nên tiến hành đo điện trở nối đất. Làm như vậy sẽ biết được trạng thái ở đó không cần phải giảm tiếp điện trở nữa, đặc biệt là khi đóng các thanh dài.

Giải pháp chống sét trực tiếp hệ thống điện mặt trời

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, khu văn phòng,… Dưới đây là các giải pháp chống sét trực tiếp được áp dụng để bảo vệ hệ thống điện năng lượng mặt trời được lắp đặt trên mái nhà.

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.

Lựa chọn giải pháp chống sét trực tiếp hệ thống điện mặt trời

Mỗi công trình điện mặt trời đều có những đặc điểm riêng cho nên giải pháp chống sét cho mỗi hệ thống cũng sẽ khác nhau về thiết bị, số lượng, vị trí lắp đặt

Với hệ thống điện mặt trời hộ gia đình thường có diện tích lắp đặt nhỏ, các tấm pin thường được đặt trên mái nhà thì không cần thiết phải sử dụng kim thu sét ESE, có thể bảo vệ bằng kim thu lôi truyền thống. Nếu sử các kim phân tán sét đặt trên mái nhà thì sẽ hiệu quả hơn rất nhiều vì khi sử dụng công nghệ phân tán điện tích thì sẽ ngăn ngừa hiện tượng sét đánh xuống khu vực mà nó bảo vệ, tác dụng này đồng nghĩa với việc sẽ hạn chế sự xuất hiện các xung quá áp lặp lại hay sét lan truyền trên các đường dây của hệ thống điện năng lượng mặt trời,

Với các hệ thống điện mặt trời mái nhà quy mô công nghiệp và thương mại được lắp đặt nhiều tấm pin trên 1 vùng rộng lớn (chiều dài trên 30m) thì nên lắp đặt cột thu lôi theo công nghệ phát xạ sớm (ESE) gắn trên trụ độc lập bên ngoài. Các đầu kim thu sét chủ động này có bán kính bảo vệ rất lớn (từ 50-107m), số lượng cột thu lôi được bố trí sao cho vùng bảo vệ của nó bao phủ hết bề mặt của hệ thống PV. Với các công trình lớn này nếu được sử dụng kim phân tán sét thì càng tốt, nó sẽ phân tán các điện tích trái dấu để ngăn ngừa các dòng sét đánh xuống khu vực, an toàn hơn nhưng chi phí có thể cao hơn.

Xem thêm:

Chống sét lan truyền và giải pháp chống sét lan truyền hệ thống điện mặt trời

Tài liệu Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9385:2012 chống sét cho công trình xây dựng – hướng dẫn thiết kế, kiểm tra và bảo trì hệ thống