Tiếp địa và chống sét cho nhà máy, trạm biến áp: nguyên lý

Tiếp địa và chống sét là hai hệ thống ít được nhắc đến khi công trình đang chạy ổn định, nhưng lại quyết định kết quả khi sự cố xảy ra: một cú sét đánh gần nhà máy, một lần chạm vỏ thiết bị, hay một sự cố ngắn mạch tại trạm biến áp. Nếu hệ thống tiếp địa tốt, dòng điện sự cố được dẫn xuống đất an toàn, aptomat và rơ le tác động nhanh, con người không bị điện giật. Nếu hệ thống kém, hậu quả là cháy nổ, cháy thiết bị, gián đoạn sản xuất, thậm chí tai nạn chết người. Bài viết này giải thích nguyên lý, các thành phần, nguyên tắc thi công và cách kiểm tra tiếp địa, chống sét cho nhà máy và trạm biến áp.

1. Tiếp địa dùng để làm gì?

Tiếp địa là việc nối các phần kim loại của thiết bị điện, kết cấu và hệ thống với một mạng lưới điện cực chôn trong đất. Hệ thống này đảm nhiệm ba vai trò. Thứ nhất, bảo vệ con người: khi cách điện hư hỏng làm vỏ thiết bị mang điện, dòng sự cố có đường thoát qua dây nối đất thay vì qua cơ thể người chạm vào. Thứ hai, tạo điều kiện cho bảo vệ tác động: dòng sự cố đủ lớn chạy qua dây tiếp địa giúp aptomat, rơ le cắt nhanh. Thứ ba, hạn chế điện áp bước và điện áp tiếp xúc quanh thiết bị, nơi người đi lại làm việc.

Ngoài ra tiếp địa còn giúp tản dòng sét, ổn định điện thế tham chiếu cho hệ thống điều khiển, đo lường và giảm nhiễu.

2. Các loại tiếp địa thường gặp trong nhà máy và trạm

• Tiếp địa an toàn (bảo vệ): nối vỏ tủ điện, vỏ máy biến áp, khung máy, thang máng cáp kim loại, hàng rào trạm vào hệ thống nối đất.
• Tiếp địa làm việc: nối đất điểm trung tính của máy biến áp hoặc nguồn theo sơ đồ nối đất của hệ thống.
• Tiếp địa chống sét: tản dòng sét từ kim thu sét hoặc thiết bị chống sét xuống đất.
• Tiếp địa thiết bị điều khiển, đo lường: tiếp địa chuyên dụng cho tủ PLC, SCADA, thiết bị nhạy cảm theo khuyến cáo của nhà sản xuất.

Thông thường, các hệ thống này được liên kết với nhau thành một mạng nối đất chung có điện thế đồng đều, tránh chênh lệch điện thế nguy hiểm giữa các phần kim loại. Việc tách hay nối chung phải theo thiết kế được duyệt, không tự quyết định tại hiện trường.

3. Thành phần của một hệ thống tiếp địa

Hệ thống tiếp địa nhân tạo thường gồm cọc tiếp địa đóng thẳng đứng, thanh hoặc cáp nối ngang giữa các cọc tạo thành mạch vòng, các mối nối bằng hàn hoặc kẹp chuyên dụng và dây dẫn từ bãi tiếp địa lên thiết bị. Vật liệu thường dùng là thép mạ kẽm hoặc đồng, chọn theo điều kiện đất, tuổi thọ yêu cầu và khả năng chống ăn mòn. Tại các điểm đấu nối lên tủ điện, cần có thanh cái tiếp địa trong tủ để gom các dây nối đất của thiết bị.

Điện trở nối đất của cả hệ thống phụ thuộc điện trở suất của đất, diện tích bãi tiếp địa, số cọc, độ sâu và chiều dài thanh nối. Đất ẩm, nhiều muối dễ đạt điện trở thấp; đất đá, cát khô, khu đồi núi khó hơn, có thể cần tăng số cọc, kéo dài mạch vòng hoặc dùng biện pháp giảm điện trở nối đất theo thiết kế.

4. Nguyên lý chống sét cho nhà máy và trạm biến áp

Chống sét bao gồm hai lớp bảo vệ. Lớp thứ nhất là chống sét đánh thẳng: dùng kim thu sét hoặc dây thu sét đặt ở vị trí cao, tạo vùng bảo vệ cho công trình bên dưới, nối với dây dẫn sét xuống và hệ thống tiếp địa riêng hoặc chung. Lớp thứ hai là chống sét lan truyền: sét đánh gần hoặc đánh vào đường dây có thể sinh quá điện áp chạy theo dây điện vào thiết bị. Thiết bị cắt lọc sét (SPD), chống sét van đặt tại tủ điện tổng, tủ phân phối, đầu trạm biến áp và trên đường tín hiệu giúp xả quá điện áp xuống đất, giữ điện áp trong ngưỡng chịu đựng của thiết bị.

Việc bố trí nhiều cấp bảo vệ, từ đầu nguồn đến thiết bị cuối cùng, hiệu quả hơn nhiều so với một thiết bị duy nhất. Đối với trạm biến áp trung thế, chống sét van thường đặt ở phía trung thế, còn phía hạ thế dùng thiết bị cắt lọc sét đặt trong tủ.

5. Chống sét cho chiếu sáng và kết cấu ngoài trời

Các cột đèn, cột trụ cao ngoài trời là nơi dễ chịu tác động của sét. Cột đèn đường LED có thể trang bị chống sét 10, 20 hoặc 30 kV theo cấu hình, giúp bảo vệ driver và đèn khỏi xung điện áp. Cột thép phải được nối đất đúng cách thông qua bu lông móng và hệ thống nối đất của cột. NEWSUN sản xuất cột đèn chiếu sáng các loại như cột liền cần, cột cánh buồm, cột đa giác DG14 cao 14 m, và cung cấp đèn đường LED, nên có thể tư vấn đồng bộ các giải pháp nối đất và chống sét khi lắp đặt.

6. Nguyên tắc thi công hệ thống tiếp địa

• Đúng thiết kế: số lượng cọc, chiều sâu, kích thước thanh nối, vật liệu phải theo hồ sơ được duyệt.
• Mối nối tin cậy: ưu tiên hàn hóa nhiệt hoặc hàn đúng quy cách, kẹp chuyên dụng; mối nối phải chống ăn mòn, dẫn điện tốt, bền cơ học.
• Nghiệm thu che khuất: chụp ảnh, lập biên bản trước khi lấp đất vì sau này không thể kiểm tra lại.
• Đường dây nối ngắn và thẳng: dây dẫn sét và dây nối đất ít uốn gấp khúc để giảm điện cảm.
• Bảo vệ cơ học và chống ăn mòn: các đoạn nổi trên mặt đất cần bảo vệ, nơi tiếp giáp mặt đất dễ bị ăn mòn nên xử lý kỹ.
• Đo kiểm sau thi công: đo điện trở nối đất, so sánh với yêu cầu thiết kế, lập biên bản.

7. Cách kiểm tra tiếp địa và chống sét

Kiểm tra gồm hai phần: kiểm tra trực quan và đo bằng thiết bị. Kiểm tra trực quan nhằm phát hiện dây nối đất đứt, lỏng, han gỉ, mối nối bị ăn mòn, dây bị cắt xén sau cải tạo, vỏ tủ chưa được nối đất, kim thu sét hoặc dây dẫn sét hư hỏng. Phần đo bao gồm đo điện trở nối đất của hệ thống bằng thiết bị đo chuyên dụng, kiểm tra thông mạch giữa các phần kim loại và thanh nối đất chính, kiểm tra tình trạng thiết bị cắt lọc sét (nhiều loại có chỉ thị trạng thái).

Thiết bị đo phải được kiểm định, người đo phải có chuyên môn, vị trí đo, điều kiện đất (khô hay ướt) cần ghi lại vì điện trở nối đất biến động theo mùa. Kết quả đo được so sánh với giá trị yêu cầu của thiết kế và quy định hiện hành; nếu không đạt, cần có biện pháp khắc phục như bổ sung cọc, tăng chiều dài mạch vòng, xử lý đất hoặc sửa mối nối.

8. Những sai lầm thường gặp

• Coi tiếp địa là thứ "làm cho có", dùng vật liệu mỏng, cọc ngắn, mối nối kém.
• Nối nhiều thiết bị lên cùng một điểm bằng mối nối lỏng, hoặc nối đất nối tiếp qua nhiều vỏ thiết bị.
• Không đo kiểm sau thi công và không đo lại định kỳ.
• Chỉ lắp kim thu sét mà không có chống sét lan truyền cho tủ điện, tủ điều khiển.
• Cải tạo mở rộng nhà xưởng nhưng làm đứt hoặc chôn lấp hệ thống nối đất cũ.
• Dây nối đất của tủ bị dùng để thay dây trung tính hoặc ngược lại, gây nguy hiểm.

9. Gắn tiếp địa với thang máng cáp và tủ điện

Thang cáp, khay cáp, máng cáp kim loại là đường dẫn dài xuyên suốt nhà xưởng, nếu không được nối liên tục và nối đất sẽ tạo nguy cơ điện giật khi cáp bị hỏng cách điện. Các đoạn thang máng phải được nối thông điện với nhau bằng thanh nối hoặc dây đồng bện và nối vào mạng tiếp địa tại các điểm quy định. Tủ điện cần có thanh cái tiếp địa và dây nối đất phù hợp. NEWSUN sản xuất tủ bảng điện và thang máng cáp mạ kẽm nhúng nóng hoặc sơn tĩnh điện, và sẵn sàng phối hợp bố trí điểm nối đất ngay từ khâu chế tạo.

10. Kết luận và liên hệ

Tiếp địa và chống sét là hạng mục "bảo hiểm" cho toàn bộ nhà máy: chi phí không lớn so với tổng đầu tư nhưng giá trị bảo vệ rất lớn. Làm đúng thiết kế, nghiệm thu che khuất, đo kiểm định kỳ và bảo trì là bốn điều kiện để hệ thống phát huy tác dụng. Nếu bạn cần khảo sát, thi công hoặc kiểm tra hệ thống tiếp địa chống sét cho nhà máy, trạm biến áp, hãy liên hệ hotline/Zalo 0924.625.688 để NEWSUN hỗ trợ.