1. Cột thu lôi là gì ?
Cột thu lôi (viết tắt CTL) là tên gọi thường dùng để nói đến một hệ thống được lắp dựng trên đỉnh của công trình hoặc trên cột cao, bao gồm một hay nhiều thanh kim loại có đầu nhọn nối với các dây dẫn điện xuống mặt đất để bảo vệ cho công trình, tòa nhà hoặc đối tượng bên dưới khỏi bị sét đánh.
Khi sét có thể đánh xuống mục tiêu là tòa nhà thì chúng chỉ đánh vào CTL mà thôi, không đánh trúng công trình kiến trúc, con người, cây cối .. trong khu vực bên dưới, sẽ tránh xảy ra các thiệt hại như cháy nổ, điện giật, chết người .v.v.
Theo cách gọi truyền thống dân dã, hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bên ngoài thường gọi là cột thu lôi – theo tiếng Anh thường gọi Lightning rod, lightning conductor hoặc Lightning protection system.
Đây là một hệ thống an toàn hữu ích để bảo vệ cho công trình và con người trước nguy cơ bị đánh trực tiếp vào.
CTL ngay từ tên gọi đã cho chúng ta hiểu được rằng chức năng của nó là thu dòng điện của thiên lôi rồi. Thu dòng điện và dẫn xuống đất là biện pháp bảo vệ thông dụng được biết đến nhiều nhất vì được phát minh và sử dụng sớm nhất.
Tuy nhiên, với sự phát triển của khoa học công nghệ, kể từ khi xuất hiện CTL cũng đã có thêm nhiều biện pháp bảo vệ bên ngoài hiệu quả khác được phát minh và sử dụng.
Do vậy, tên gọi về hệ thống chống sét đánh thẳng bảo vệ bên ngoài công trình có thể gọi chung là CỘT CHỐNG SÉT, sẽ bao gồm các loại như:
- Cột thu lôi
- Lồng Faraday
- Cột phân tán (sử dụng kim phân tán điện tích)
- Cột laser
CTL và lồng Faraday
Trong khuôn khổ của bài viết này với mục đích phổ biến đến mọi người về công nghệ CTL nên các công nghệ khác xin phép được trình bày trong những bài viết tiếp theo.
2. Sự ra đời của cột thu lôi
Năm 1752, nhà khoa học người Mỹ Benjamin Franklin thực hiện một thí nghiệm nổi tiếng về điện trong khí quyển: thả một con diều lên trời trong mưa dông, đầu trên con diều có gắn một thanh sắt nhỏ để hút các tia chớp, thí nghiệm này chứng minh giả thuyết về tính chất của sét thực chất là sự phóng điện trong khí quyển.
minh họa về Benjamin Franklin với thí nghiệm thả diều nổi tiếng của ông cùng con trai
Sau khi chứng minh được bản chất đó là sự phóng điện và một thanh sắt là có thể thu hút được, Franklin đã dựng CTL đầu tiên trên mái nhà của mình để tiếp tục thử nghiệm.
Franklin mô tả CTL của mình bao gồm một thanh sắt có đầu nhọn đặt ở phần cao nhất của tòa nhà, một dây dẫn kim loại nối thanh sắt này với một thanh kim loại khác chôn dưới đất ẩm.
Khi tia chớp đánh vào đầu thanh sắt, dòng điện sẽ truyền thẳng xuống đất và sẽ ngăn chặn nó làm hư hại bất kỳ phần nào của tòa nhà.
Sau một loạt những thí nghiệm tại chính nhà của Franklin, các CTL đã được lắp đặt ở Viện hàn lâm Philadelphia và chứng minh sự hiệu quả thực tế. Dần dần, CTL trở nên phổ biến rộng rãi cho các công trình dinh thự khác.
3. Tác dụng của cột thu lôi
Tác dụng của CTL là không để hoặc hạn chế sự kiện thiên lôi đánh vào các đối tượng nằm trong vùng bảo vệ của nó, từ đó sẽ hạn chế tối đa hậu quả do chúng gây ra (như chết người, cháy nổ, phá hủy..).
Khi có giông bão sẽ có sự phóng điện ở trên các đám mây và có khả năng đánh từ đám mây xuống một nơi nào đó dưới mặt đất, CTL được đặt ở vị trí cao nhất của tòa nhà nên sẽ trở thành điểm (có xác suất cao nhất) bị sét đánh vào, dòng điện sẽ chảy qua dây dẫn truyền xuống đất thay vì đi qua tòa nhà, sẽ hạn chế được tối đa rủi ro cháy nổ hoặc điện giật có thể xảy ra.
4. Nguyên lý hoạt động của cột thu lôi
Trong thời tiết mưa dông, phần bên dưới các đám mây dông sẽ tích điện âm, do hiệu ứng tĩnh điện nên phần mặt đất phía dưới đám mây dông sẽ tích điện dương.
Giữa đám mây dông và mặt đất hình thành một điện trường có hiệu điện thế rất lớn và không ngừng gia tăng, đến một mức tới hạn sẽ xảy ra sự phóng điện từ đám mây dông xuống mặt đất.
Như chúng ta đã biết, điện tích dương trên mặt đất được tập hợp trên bất kỳ vật nào có khả năng dẫn điện như nhà cửa, cây cối, công trình, trụ điện, tháp anten, …, vật nào cao nhất, dẫn điện càng tốt thì điện tích phân bố trên vật đó càng lớn và điện trường của nó càng mạnh hơn so với các vật xung quanh.
Khi xuất hiện các đám mây dông tích điện và tạo ra mức điện trường như trên, các điện tích trái dấu sẽ bắt đầu di chuyển xuống xuống mặt đất theo các tia nhỏ (gọi là tia tiên đạo hướng xuống).
Ngược lại, các dòng điện tích trái dấu dưới mặt đất cũng bắt đầu chuyển động đi lên theo dòng tia nhỏ (gọi là tia tiên đạo hướng lên).
Nếu hai tia này gặp nhau thì chúng sẽ tạo thành đường dẫn cho các dòng điện tích cực lớn di chuyển từ đám mây đi xuống trong tíc tắc kèm theo sấm chớp.
Lúc này ta gọi đó là hiện tượng sét đánh, có thể xảy ra trong đám mây, giữa các đám mây và giữa đám mây với mặt đất.
Vậy cột thu lôi hoạt động như thế nào ?
Như đã nói ở trên, các đầu kim thu lôi gắn trên cột có cấu tạo một đầu nhọn – do diện tích đầu nhọn cực nhỏ nên mật độ điện tích sẽ rất lớn, nên dưới tác động của lực hút điện trường thì các điện tích sẽ dễ dàng bức ra, tạo thành tia tiên đạo hướng lên nhanh hơn.
Mặt khác, các đầu kim này được đặt ở vị trí cao hơn các đối tượng khác của công trình nên các tia tiên đạo vừa hình thành sớm hơn và sẽ cao hơn, nên chúng có khả năng sẽ gặp các tiên đạo hướng xuống trước tiên (so với các tia khác trong vùng).
Từ đó chúng sẽ “dành quyền” hình thành đường dẫn điện đi xuống đầu kim sớm hơn so với các điểm khác quanh nó.
Sau khi bị đánh trúng, CTL sẽ chuyển dòng điện xuống hệ thống tiếp địa thông qua đường dây đã kết nối, sẽ trung hòa và khuếch tán các điện tích này vào đất một cách an toàn.
Video mô phỏng về nguyên lý hoạt động của kim thu lôi
5. Cấu tạo cột thu lôi
Một hệ thống chống sét cho công trình bằng CTL có cấu tạo gồm 3 phần chính như sau:
các thành phần, bộ phận của CTL
5.1. Đầu kim thu lôi
Đầu kim thu lôi (KTL) hay kim chống sét có hình dạng bất kỳ nhưng phía trên được vuốt thành 1 điểm nhọn hướng lên, chất liệu là kim loại có khả năng dẫn điện tốt, đó chính là điểm thu hút dòng điện tích đánh vào đó.
KTL được lắp ở điểm cao nhất trên công trình, thường được gắn trên cột đỡ để có thể lắp dựng, cố định chắc chắn trên công trình.
Các loại đầu KTL thông dụng hiện nay:
- Kim thu sét tiên đạo sớm
- Kim thu sét cổ điển Franklin
5.2. Dây thoát / Dây dẫn
Chức năng của dây thoát là để truyền dẫn dòng điện tích thu được từ đầu KTL đi xuống hệ thống tiếp đất đã được kết nối.
Chất liệu bằng kim loại: đồng, thép mạ kẽm hoặc nhôm, trong đó Đồng là chất liệu tốt nhất: dẫn điện tốt và không bị ăn mòn.
Các loại dây thoát có thể sử dụng: cáp điện, dây kim loại tròn (đặc), thanh kim loại tùy theo thiết kế của công trình. Phổ biến nhất vẫn là cáp điện (loại cáp đồng xoắn) với tiết diện mặt cắt tối thiểu 50mm2 theo tiêu chuẩn.
5.3. Hệ thống tiếp địa
Hệ thống tiếp địa là một tập hợp bao gồm nhiều thành phần bằng kim loại mang tính dẫn điện liên kết với nhau và được chôn ngầm, tiếp xúc với môi trường đất. Yêu cầu về hệ thống tiếp đất phải có điện trở đủ thấp để thu nhận và tản dòng điện từ đầu KTS truyền vào đất một cách an toàn.
Cấu hình của một hệ thống cơ bản gồm:
- Điện cực tiếp đất (cọc, thanh, lưới, ống ..)
- Dây liên kết các điện cực (dây tròn, dẹt, thanh …)
- Bộ phần kết nối giữa điện cực và dây liên kết (kẹp, ốc siết, mối hàn kim loại …)
- Hộp liên kết và đo kiểm tra điện trở
- Hợp chất giảm điện trở đất
Điện cực tiếp đất – cọc tiếp địa – lưới tiếp địa
6. Các loại cột thu lôi
CTL hiện đang sử dụng phổ biến trong dân dụng và công nghiệp chủ yếu có 2 loại sau:
6.1. Cột thu lôi Franklin truyền thống
CTL Franklin / CTL cổ điển: là tên gọi để chỉ hệ thống chống sét trực tiếp được phát minh bởi nhà khoa học Benjamin Franklin – một hệ thống bảo vệ rất phổ biến và hiệu quả trong một phạm vi giới hạn nhất định.
Với một mức độ tin cậy cho phép đã được chứng minh trong thực tế, vẫn còn được sử dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới sau hàng trăm năm kể từ ngày được phát minh.
CTL Franklin sử dụng đầu KTS Franklin (đầu KTS cổ điển) có cấu tạo đơn giản: chỉ là 1 thanh kim loại (thép, thép mạ kẽm, thép mạ đồng, đồng, …) có đầu nhọn, đường kính D14 đến D20, dài từ 0,5 đến 1.5m.
Ưu điểm: đầu kim cấu tạo đơn giản có thể tự chế tạo hoặc dễ dàng mua được trên thị trường với giá thành thấp.
Nhược điểm: Cần phải lắp nhiều KTS cho một công trình
Hiệu quả bảo vệ không cao: trong thực tế đã chứng minh các công trình lắp đặt CTL Franklin vẫn có sự cố bị thiên lôi đánh vào công trình.
Điều này xuất phát từ chính nguyên lý hoạt động của CTL (đã nêu ở trên): là điểm có xác suất cao nhất sẽ bị đánh vào nhưng không phải là điểm chắc chắn 100%, các vật khác trên mặt đất có tập trung điện tích dương nhiều, có điện trường mạnh đều có thể trở thành mục tiêu của thiên lôi.
Có thể nói nôm na: CTL Franklin làm việc theo kiểu thụ động, chờ sét đánh vào chính mình.
Ứng dụng: Phù hợp với đại đa số các công trình nhà ở dân dụng có diện tích nhỏ, chiều cao thấp, các công trình có kinh phí thấp, các công trình không yêu cầu mức độ bảo vệ cao.
6.2. Cột thu lôi chủ động
Nhận thấy khuyết điểm của KTS Franklin, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo ra kim thu sét ESE (tiếng Anh: Early Streamer Emission Terminal – ESE Terminal) tạm dịch là kim thu sét phát xạ sớm để thay thế cho KTS Franklin thụ động nêu trên nhằm đem lại hiệu quả bảo vệ tốt nhất cho công trình.
Nguyên lý hoạt động của KTS ESE: trong thời tiết mưa dông, khi có sự tích lũy điện tích âm đủ lớn ở các đám mây dông phía trên, dưới tác động của lực hút tĩnh điện KTS ESE sẽ kích hoạt và phóng dòng điện tích dương hướng lên, sớm hơn so với các điểm khác trong vùng – gọi là tia tiên đạo hướng lên – mạnh và sớm hơn so với tia tiên đạo của kim franklin truyền thống.
Từ đó sẽ tạo ra một kênh dẫn (hút) dòng điện về KTS sau đó thông qua dây dẫn đi xuống hệ thống tiếp địa một cách an toàn, không để bị đánh xuống các vị trí khác trong vùng bảo vệ.
Có thể nói nôm na: KTS ESE là KTS chủ động thu hút hay mời gọi thiên lôi đánh vào chính mình trước nhất.
Ưu điểm:
- Công nghệ hiện đại mang lại hiệu quả bảo vệ cao hơn nhiều lần so với kim Franklin
- Có vùng bảo vệ lớn hơn rất nhiều so với kim Franklin, bán kính bảo vệ của chúng từ 40m đến 120 mét tùy theo model nên có thể chỉ cần 1 kim là đủ bảo vệ cho 1 công trình
Nhược điểm:
- Giá thành đắt hơn nhiều so với kim Franklin
- Về chất lượng sản phẩm cần kiểm tra kỹ, có chức năng phát xạ sớm thật hay không ? nếu là hàng giả hoặc chất lượng kém thì chúng như kim truyền thống mà thôi.
Thị trường Việt Nam hiện có hơn chục loại KTS ESE khác nhau xuất xứ Tây Ban Nha, Mỹ, Pháp, Úc, Thổ Nhĩ Kỳ … giá cả từ một hai triệu cho đến vài chục triệu tùy thuộc vào chất lượng sản phẩm, uy tín của nhà sản xuất và lương tâm của người bán.
Người tiêu dùng cần chọn lựa các nhà cung cấp có uy tín, là đại lý nhập khẩu chính hãng, KTS có đầy đủ chứng từ kỹ thuật, đã được kiểm nghiệm trong phòng thí nghiệm độc lập hay chưa, chế độ bảo hành lâu dài như thế nào.
Ứng dụng: KTS ESE phù hợp để thi công lắp đặt trong các hệ thống bảo vệ bên ngoài cho các công trình nhà ở dân dụng rộng lớn, yêu cầu bảo vệ cao, nhà xưởng khu công nghiệp, khu vực thể thao văn hóa cộng đồng, nhà máy điện mặt trời trang trại khác …
7. Các tiêu chuẩn áp dụng cho cột thu lôi
- Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam: TCVN 9385 : 2012 Chống Sét Cho Công Trình Xây Dựng – Hướng Dẫn Thiết Kế, Kiểm Tra Và Bảo Trì Hệ Thống
- Tiêu chuẩn quốc gia Pháp: NF C 17-102 Protection against lightning Early streamer emission lightning protection systems.
- Tiêu chuẩn quốc gia Tây Ban Nha: UNE 21186 – Protection against lighting: Early streamer emission lightning protection systems.
- Tiêu chuẩn của Mỹ: UL 96A – Installation Requirements for Lightning Protection Systems.
Công ty chống sét ThyAn hiện là nhà nhập khẩu chính hãng ALLTEC /Mỹ, Aplicaciones Tecnológicas /Spain. Các sản phẩm của họ đã được kiểm tra trong phòng thí nghiệm độc lập, chất lượng, tính năng, thông số kỹ thuật của chúng đạt trên cả yêu cầu của tiêu chuẩn quốc tế đưa ra.
Các KTS ESE do ThyAn phân phối bảo hành từ 2 đến đến 5 năm trong mọi điều kiện thời tiết và môi trường sử dụng, chứng từ chất lượng CQ và xuất xứ CO của sản phẩm luôn được thể hiện đầy đủ đi kèm.
Hình ảnh cột thu lôi trên mái nhà – trên mặt đất và giàn giáo công trình công ty ThyAn đã lắp đặt
