Kim thu sét và cột thu lôi: cấu tạo, phân loại và kiểm tra

Kim thu sét, cột thu lôi gồm những bộ phận nào, kim cổ điển và kim ESE khác nhau ra sao, vùng bảo vệ theo TCVN 9385:2012 và nội dung kiểm tra định kỳ.

Kim thu sét là thanh kim loại đặt ở điểm cao nhất của công trình để đón tia sét đánh thẳng, rồi dẫn dòng sét qua dây xuống vào hệ nối đất. Bộ phận này còn được gọi là cột thu lôi, cây thu lôi, kim thu lôi hay kim chống sét. Kim không ngăn được sét, chỉ quyết định sét đánh vào đâu.

Kim thu sét là gì, cột thu lôi là gì

Theo TCVN 9385:2012, bộ phận thu sét là phần của hệ thống chống sét có nhiệm vụ thu hút sét đánh vào nó, dưới dạng kim, lưới hoặc kết hợp cả hai; kim là dạng quen thuộc nhất. Xem thêm khái niệm hệ thống chống sét.

"Lôi" là từ Hán Việt nghĩa là sấm sét, nên "thu lôi" cũng là "thu sét". Chữ "cột thu lôi" có hai nghĩa:

Nghĩa hẹp: chính cây kim gắn trên mái.
Nghĩa rộng: cả cụm gồm trụ đỡ cao và kim ở đỉnh, như ở kho xăng dầu, trạm điện. TCVN 9385:2012 dùng cả hai chữ "kim thu sét" và "cột thu sét".

Các kiểu hệ thống khác (dây căng ngang, lồng Faraday) xem ở trang hệ thống chống sét đánh thẳng.

Cấu tạo của kim thu sét và cột thu lôi

Một bộ kim thu sét gồm bốn phần nối liền:

Kim: thanh kim loại như đồng, thép mạ kẽm, thép không gỉ. Bảng 1 của TCVN 9385:2012 nêu kim dạng thanh tròn đặc, đường kính tối thiểu 16 mm. Kim dài tới 1 m, chịu gió nhỏ có thể dùng 10 mm. Tiêu chuẩn cũng cho rằng đầu kim không nhất thiết phải nhọn.
Trụ đỡ và chi tiết cố định: nâng kim cao hơn các vật trên mái; trụ, bu lông, dây giằng phải chịu được gió bão.
Dây xuống: nối kim với hệ nối đất theo đường thẳng, ngắn nhất. Dây đồng cần tiết diện tối thiểu 50 mm² (Bảng 1). Mỗi dây xuống có một điểm đo kiểm tra, thường trong hộp kiểm tra tiếp địa.
Hệ nối đất: tản dòng sét vào đất qua cọc tiếp địa và dây nối giữa các cọc. TCVN 9385:2012 khuyến nghị điện trở nối đất tổng hợp không vượt quá 10 Ω.

Kim thu sét cổ điển và kim thu sét tiên đạo (ESE)

Kim thu sét cổ điển (Franklin)

Kim cổ điển gắn với tên Benjamin Franklin (thế kỷ 18). Khi tia tiên đạo từ mây xuống gần mặt đất, đầu kim phát ra tia đón đi lên; hai tia gặp nhau nên sét đánh vào kim thay vì vào mái. Vùng bảo vệ xác định bằng hình học theo TCVN 9385:2012 hoặc TCVN 9888:2013 (tương đương IEC 62305).

Kim thu sét phát tia tiên đạo sớm (ESE)

Kim ESE (Early Streamer Emission) có thêm bộ kích hoạt ở đầu kim. Theo tiêu chuẩn Pháp NF C 17-102:2011, kim phát tia đón sớm hơn kim thường một khoảng ΔT nên đón sét từ xa hơn. ΔT xác định bằng thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, khi tính lấy tối đa 60 µs. Bán kính bảo vệ phụ thuộc chiều cao đầu kim, cấp bảo vệ (I đến IV) và ΔT. Đầu kim phải cao hơn mọi vật trong vùng bảo vệ ít nhất 2 m.

Tranh luận về hiệu quả của kim ESE

Phía ủng hộ: NF C 17-102:2011 là tiêu chuẩn quốc gia chính thức của Pháp, có quy trình thử ΔT cho từng loại kim. Theo cách tính này, một kim bảo vệ được diện tích lớn, nên ESE được dùng ở nhiều nước, kể cả Việt Nam.
Phía phản biện: NF C 17-102:2011 tự ghi không có tài liệu tương đương của IEC hay CENELEC. IEC 62305-3 chỉ chấp nhận ba phương pháp bố trí bộ phận thu sét (góc bảo vệ, quả cầu lăn, lưới). Tổng quan khoa học của Uman và Rakov (2002) kết luận lợi thế của ESE chưa được thực nghiệm hay lý thuyết ủng hộ. Hiệp hội Phòng cháy Quốc gia Mỹ (NFPA) cũng không ban hành tiêu chuẩn cho ESE.

TCVN 9385:2012 không áp dụng cho công trình "áp dụng các công nghệ chống sét khác", nên hồ sơ kim ESE ở Việt Nam thường viện dẫn NF C 17-102. Hồ sơ cần ghi rõ tiêu chuẩn thiết kế để việc kiểm tra sau này đối chiếu đúng.

Vị trí lắp và vùng bảo vệ của cột chống sét

Vùng bảo vệ là thể tích mà bộ phận thu sét đón cú sét thay cho công trình. TCVN 9385:2012 dùng hai cách xác định:

Góc bảo vệ: hình nón có đỉnh ở đầu kim. Với công trình cao không quá 20 m, góc bảo vệ là 45° so với phương thẳng đứng; góc càng nhỏ, mức bảo vệ càng cao.
Quả cầu lăn: chỗ nào quả cầu tưởng tượng lăn quanh công trình chạm tới thì cần bộ phận thu sét. Dùng cho công trình cao trên 20 m hoặc hình khối phức tạp, thường với bán kính 60 m; bán kính 20 m cho công trình có nguy cơ cháy cao.

IEC 62305-3 (TCVN 9888-3:2013) dùng ba phương pháp góc bảo vệ, quả cầu lăn và lưới, thông số chọn theo cấp bảo vệ I đến IV.

Kim phải là điểm cao nhất của khu vực, ưu tiên góc mái, bờ nóc, ống khói. Lắp thêm điều hòa, pin mặt trời, ăng ten trên mái thì cần kiểm tra lại vùng bảo vệ.

Hư hỏng thường gặp của kim chống sét

Ăn mòn: ở chỗ tiếp xúc hai kim loại khác nhau, vùng ven biển, hóa chất và đoạn dây đi vào đất. TCVN 9385:2012 lưu ý bảo vệ đoạn dây khoảng 0,3 m trên và dưới mặt đất, ví dụ bằng ống PVC.
Lỏng mối nối: mối nối không hàn là điểm gián đoạn, dễ hư hỏng. Bu lông lỏng, kẹp gỉ làm tăng điện trở đường dẫn sét.
Đứt hoặc mất dây xuống: do cải tạo, va chạm hoặc bị tháo trộm.
Kim nghiêng, cong: do gió bão hoặc dây giằng lỏng, làm vùng bảo vệ lệch khỏi thiết kế.
Đầu kim ESE hỏng: theo thời gian hoặc sau khi bị sét đánh, khó phát hiện bằng mắt.

Kiểm tra định kỳ kim thu sét gồm những gì

TCVN 9385:2012 khuyến nghị kiểm tra khi lắp đặt, sau khi hoàn thành, sau mỗi lần thay đổi hoặc mở rộng, và định kỳ tốt nhất không quá 12 tháng; vùng khí hậu khắc nghiệt nên dày hơn. Nội dung thường gồm:

Đối chiếu hồ sơ thiết kế với thực tế và kết quả lần trước.
Kiểm tra kim, trụ đỡ, dây giằng, dây xuống, mối nối: độ thẳng đứng, ăn mòn, vết sét đánh, tính liên tục về điện.
Đo điện trở nối đất từng cực khi tách tại điểm kiểm tra và khi nối lại. Cả hệ thống trên 10 Ω thì nên giảm; tăng rõ so với lần trước thì cần tìm nguyên nhân. Xem cách đo điện trở tiếp địa.
Với kim ESE: thử đầu kim theo quy trình của nhà sản xuất; kiểm tra thêm khi công trình sửa chữa hoặc bị sét đánh (NF C 17-102:2011).
Ghi kết quả vào hồ sơ, lập kiến nghị khắc phục nếu có.

Chi tiết tiêu chuẩn có ở bài TCVN 9385:2012 về chống sét và hướng dẫn kiểm định, bảo trì hệ thống chống sét. SITC thực hiện kiểm định hệ thống chống sét, gồm kiểm tra bộ phận thu sét, dây xuống, mối nối và đo điện trở nối đất.

Câu hỏi thường gặp

Cột thu lôi có tác dụng gì?

Cột thu lôi đón sét ở vị trí cao nhất và dẫn dòng sét xuống đất thay cho mái, tường, kết cấu. Theo IEC 62305-3, nó không làm tăng hay giảm đáng kể số lần sét đánh vào công trình. Nó cũng không bảo vệ người ở ngoài trời khi có dông, xem an toàn chống sét.

Kim thu sét tiên đạo có bảo vệ rộng hơn kim thường không?

Theo NF C 17-102:2011 và nhà sản xuất thì có, nhờ ΔT. Bộ IEC 62305 không có cách tính này, và các nghiên cứu độc lập đã công bố chưa xác nhận lợi thế đó ngoài thực địa.

Đã có kim thu sét thì có cần chống sét lan truyền không?

Có, nếu công trình có thiết bị điện, điện tử. Kim chỉ xử lý sét đánh thẳng; quá áp lan truyền theo dây điện, dây tín hiệu cần thiết bị chống sét lan truyền (SPD), xem hệ thống chống sét lan truyền.