Cột thu lôi (CTL) là tên gọi phổ biến của một hệ thống được lắp đặt trên đỉnh các công trình hoặc cột cao, bao gồm một hoặc nhiều thanh kim loại đầu nhọn, kết nối với dây dẫn điện xuống đất, nhằm bảo vệ công trình, tòa nhà hoặc đối tượng bên dưới khỏi sét đánh.
Khi có nguy cơ sét đánh vào tòa nhà, sét sẽ đánh vào CTL thay vì công trình kiến trúc, con người, cây cối… trong khu vực bảo vệ, giúp ngăn ngừa các thiệt hại như cháy nổ, điện giật, tử vong,…
Theo cách gọi thông thường, hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp bên ngoài thường được gọi là cột thu lôi, hoặc trong tiếng Anh là Lightning rod, lightning conductor hoặc Lightning protection system.
Đây là một hệ thống an toàn quan trọng để bảo vệ công trình và người dân khỏi nguy cơ bị sét đánh trực tiếp.
Ngay từ tên gọi, CTL cho thấy chức năng của nó là thu hút dòng điện của sét. Việc thu và dẫn dòng điện xuống đất là phương pháp bảo vệ được biết đến và sử dụng rộng rãi nhất do được phát minh sớm.
Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều biện pháp bảo vệ bên ngoài hiệu quả khác đã được phát minh và sử dụng từ khi CTL xuất hiện.
Vì vậy, hệ thống chống sét đánh thẳng bảo vệ bên ngoài công trình có thể được gọi chung là CỘT CHỐNG SÉT, bao gồm các loại như:
Trong khuôn khổ bài viết này, mục đích là phổ biến kiến thức về công nghệ CTL, các công nghệ khác sẽ được trình bày trong các bài viết tiếp theo.
Năm 1752, nhà khoa học người Mỹ Benjamin Franklin đã tiến hành một thí nghiệm nổi tiếng về điện trong khí quyển, đó là thả một con diều lên trời trong mưa dông. Đầu trên của diều có gắn một thanh sắt nhỏ để thu hút tia chớp. Thí nghiệm này chứng minh giả thuyết rằng sét thực chất là sự phóng điện trong khí quyển.
Sau khi chứng minh bản chất phóng điện và khả năng thu hút của thanh sắt, Franklin đã lắp đặt CTL đầu tiên trên mái nhà của mình để tiếp tục các thử nghiệm.
Franklin mô tả CTL của mình gồm một thanh sắt đầu nhọn đặt ở vị trí cao nhất của tòa nhà, kết nối với một dây dẫn kim loại nối xuống một thanh kim loại khác được chôn dưới đất ẩm.
Khi sét đánh vào đầu thanh sắt, dòng điện sẽ truyền trực tiếp xuống đất, ngăn chặn nó gây hại cho bất kỳ phần nào của tòa nhà.
Sau nhiều thử nghiệm tại nhà của Franklin, CTL đã được lắp đặt tại Viện hàn lâm Philadelphia và chứng minh hiệu quả thực tế. Sau đó, CTL dần trở nên phổ biến cho các công trình và dinh thự khác.
Chức năng của CTL là ngăn chặn hoặc hạn chế sét đánh vào các đối tượng nằm trong vùng bảo vệ của nó, qua đó giảm thiểu tối đa các hậu quả do sét gây ra (gây tử vong, cháy nổ, phá hủy,…).
Trong giông bão, sự phóng điện xảy ra trên các đám mây, có khả năng tạo ra tia sét đánh xuống mặt đất. Vì CTL được đặt ở vị trí cao nhất của tòa nhà, nó trở thành điểm có xác suất cao nhất bị sét đánh trúng. Dòng điện sẽ chảy qua dây dẫn xuống đất thay vì đi qua tòa nhà, giảm tối đa nguy cơ cháy nổ hoặc điện giật.
Khi có mưa dông, phần dưới của các đám mây dông tích điện âm, do hiệu ứng tĩnh điện, mặt đất dưới đám mây dông tích điện dương.
Giữa đám mây dông và mặt đất hình thành một điện trường có hiệu điện thế rất lớn và liên tục tăng, đến một mức tới hạn sẽ xảy ra sự phóng điện từ đám mây dông xuống mặt đất.
Điện tích dương trên mặt đất tập trung trên các vật có khả năng dẫn điện như nhà cửa, cây cối, công trình, cột điện, tháp ăng-ten,… Vật nào càng cao và dẫn điện tốt thì điện tích phân bố trên vật đó càng lớn và điện trường của nó càng mạnh so với xung quanh.
Khi các đám mây dông tích điện và tạo ra điện trường mạnh, các điện tích trái dấu bắt đầu di chuyển 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 di chuyển lên theo các tia nhỏ (gọi là tia tiên đạo hướng lên).
Nếu hai tia này gặp nhau, chúng sẽ tạo thành đường dẫn cho các dòng điện tích cực lớn di chuyển từ đám mây xuống trong tích 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 đề cập, các đầu kim thu lôi gắn trên cột có cấu tạo đầu nhọn. Do diện tích đầu nhọn cực nhỏ nên mật độ điện tích rất lớn, và dưới tác động của lực hút điện trường, các điện tích dễ dàng bức ra, tạo thành tia tiên đạo hướng lên nhanh hơn.
Các đầu kim này được đặt ở vị trí cao hơn các đối tượng khác của công trình. Do đó, các tia tiên đạo hình thành sớm hơn và cao hơn, có khả năng gặp các tia 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 xung quanh.
Sau khi bị sét đánh trúng, CTL sẽ chuyển dòng điện xuống hệ thống tiếp địa thông qua đường dây đã kết nối, trung hòa và khuếch tán các điện tích này vào đất một cách an toàn.
Một hệ thống chống sét cho công trình bằng CTL có cấu tạo gồm 3 phần chính:
Đầu kim thu lôi (KTL) hoặc kim chống sét có hình dạng bất kỳ nhưng phía trên được vuốt thành một điểm nhọn hướng lên. Chất liệu thường là kim loại có khả năng dẫn điện tốt, là điểm thu hút dòng điện tích đánh vào.
KTL được lắp ở điểm cao nhất trên công trình, thường được gắn trên cột đỡ để đảm bảo việc lắp đặt và cố định chắc chắn.
Các loại đầu KTL thông dụng hiện nay:
Dây thoát có chức năng truyền dẫn dòng điện tích thu được từ đầu KTL xuống hệ thống tiếp đất đã được kết nối.
Vật liệu chế tạo thường là kim loại như đồng, thép mạ kẽm hoặc nhôm. Trong đó, đồng là vật liệu tốt nhất do 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. Cáp điện (loại cáp đồng xoắn) với tiết diện mặt cắt tối thiểu 50mm2 theo tiêu chuẩn là phổ biến nhất.
Hệ thống tiếp địa là một tập hợp các thành phần kim loại mang tính dẫn điện liên kết với nhau và được chôn ngầm, tiếp xúc với môi trường đất. 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:
Hiện nay, CTL được sử dụng phổ biến trong dân dụng và công nghiệp chủ yếu có 2 loại:
CTL Franklin/CTL cổ điển: là tên gọi hệ thống chống sét trực tiếp được phát minh bởi nhà khoa học Benjamin Franklin – một hệ thống bảo vệ phổ biến và hiệu quả trong phạm vi giới hạn nhất định.
Với độ tin cậy đã được chứng minh trong thực tế, CTL Franklin vẫn được sử dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới sau hàng trăm năm kể từ khi được phát minh.
CTL Franklin sử dụng đầu KTS Franklin (đầu KTS cổ điển) có cấu tạo đơn giản: chỉ là một 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 lắp nhiều kim thu sét cho một công trình.
Hiệu quả bảo vệ không cao: Thực tế cho thấy các công trình lắp đặt CTL Franklin vẫn có sự cố bị sét đánh.
Điều này xuất phát từ nguyên lý hoạt động của CTL: là điểm có xác suất cao nhất bị sét đánh, nhưng không phải chắc chắn 100%. Các vật khác trên mặt đất có điện tích dương tập trung nhiều, có điện trường mạnh đều có thể trở thành mục tiêu của sét.
Có thể hiểu, CTL Franklin hoạt động theo kiểu thụ động, chờ sét đánh vào chính mình.
Ứng dụng: Phù hợp với phần lớn nhà ở dân dụng có diện tích nhỏ, chiều cao thấp, các công trình có kinh phí hạn chế, các công trình không yêu cầu mức độ bảo vệ cao.
Nhận thấy nhược điểm của cột thu lôi chống sét KTS Franklin, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo kim thu sét ESE (Early Streamer Emission Terminal) để thay thế KTS Franklin thụ động, nhằm đem lại hiệu quả bảo vệ tốt nhất cho công trình.
Nguyên lý hoạt động của cột thu lôi chống sét KTS ESE: trong thời tiết mưa dông, khi điện tích âm tích tụ đủ lớn ở các đám mây dông, 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. Dòng điện này được gọi là tia tiên đạo hướng lên, mạnh và sớm hơn so với tia tiên đạo của kim Franklin truyền thống.
Từ đó, nó 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 sét đánh xuống các vị trí khác trong vùng bảo vệ.
Có thể nói, KTS ESE là KTS chủ động thu hút hoặc mời gọi sét đánh vào chính mình trước nhất.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Thị trường Việt Nam hiện có hơn chục loại KTS ESE khác nhau xuất xứ từ Tây Ban Nha, Mỹ, Pháp, Úc, Thổ Nhĩ Kỳ… giá cả từ một vài triệu 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 các nhà cung cấp 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, và có chế độ bảo hành lâu dài.
Ứng dụng: KTS ESE thích hợp cho việc lắp đặt trong các hệ thống bảo vệ bên ngoài cho các công trình dân cư lớn, có yêu cầu bảo vệ cao, các nhà xưởng trong khu công nghiệp, các khu vực thể thao và văn hóa cộng đồng, nhà máy điện mặt trời, trang trại,…
Cột thu lôi chống sét là một trong những giải pháp quan trọng giúp bảo vệ công trình, thiết bị điện tử và con người trước những tác động nguy hiểm của sét. Với khả năng dẫn truyền dòng điện sét an toàn xuống đất, thiết bị này góp phần giảm thiểu thiệt hại về tài sản và đảm bảo an toàn trong sinh hoạt, sản xuất.
Trong điều kiện thời tiết ngày càng biến đổi, việc lắp đặt cột thu lôi không chỉ là yêu cầu kỹ thuật mà còn là nhu cầu thiết yếu đối với mọi công trình dân dụng và công nghiệp.
Hy vọng qua bài viết trên của Đại Việt, quý độc giả đã có thêm kiến thức hữu ích về cột thu lôi chống sét rồi nhé. Mua cáp điện Cadivi nhanh chóng, giá tốt? Đừng ngần ngại gọi cho Đại Việt qua 090 233 2665 – 093 191 1896 để được gửi bảng bảng giá Cadivi mới nhất và tư vấn miễn phí!
