Kim Thu Sét Phát Xạ Sớm: Công Nghệ, Nguyên Lý Hoạt Động và Ứng Dụng

Kim thu sét phát xạ sớm đã trở thành giải pháp được ứng dụng rộng rãi trong việc bảo vệ các công trình khỏi tác động của sét đánh. Công nghệ này tạo ra một cách tiếp cận chủ động trong việc thu hút và dẫn dòng sét xuống đất an toàn. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết về kim thu sét phát xạ sớm, từ định nghĩa, nguyên lý hoạt động đến các ứng dụng thực tế và những tranh cãi về hiệu quả của thiết bị này.

Tổng quan về kim thu sét phát xạ sớm

Kim thu sét phát xạ sớm, còn gọi là kim thu sét tiên đạo sớm, trong tiếng Anh là Early Streamer Emission (ESE), là loại kim thu sét chủ động phóng ra tia tiên đạo sớm hơn lên không trung để bắt các tia sét phóng ra từ những đám mây giông tích điện. Nhờ nguyên lý này, kim thu sét tăng được khoảng cách và hiệu quả bảo vệ, khác với kim thu sét cổ điển thụ động chỉ đón nhận sét khi bị đánh trúng.

Kim thu sét phát xạ sớm là phiên bản cải tiến hoàn hảo của kim thu sét cổ điển. Kim thu sét hiện đại có thêm bộ phận phát xạ sớm từ hiệu ứng mũi nhọn Franklin, giúp nó chủ động trong việc thu hút sét, tạo điều kiện bảo vệ công trình một cách hiệu quả hơn.

Thiết bị này thường được lắp đặt tại đầu cột cao hơn các đối tượng cần bảo vệ và được kết nối với hệ thống tiếp địa bằng dây hoặc thanh kim loại dẫn điện, tạo thành một hệ thống chống sét hoàn chỉnh.

Nguyên lý hoạt động của kim thu sét phát xạ sớm

Cơ chế phát xạ sớm

Kim thu sét tiên đạo sớm hoạt động dựa trên cơ chế phát xạ sớm (ESE), tức là nó tạo ra một tia tiên đạo đi lên trước khi tia tiên đạo tự nhiên của cơn giông hình thành. Khi có dông sét, kim thu sét sẽ phát ra xung ion hóa giúp thu hút tia sét về kim, từ đó dẫn dòng điện sét xuống hệ thống tiếp đất an toàn.

Nguyên lý hoạt động chi tiết diễn ra như sau:

1. Khi có đám mây dông hình thành, các hạt băng và mưa đá va chạm với nhau tạo ra các hạt mang điện tích dương và âm.

2. Các hạt mang điện tích dương tích tụ ở phần trên của đám mây, trong khi các hạt mang điện tích âm tích tụ ở phần dưới, tạo ra sự chênh lệch điện thế rất lớn.

3. Khi sự chênh lệch điện thế đạt đến ngưỡng nhất định, xảy ra hiện tượng phóng điện từ đám mây xuống đất.

4. Kim thu sét tiên đạo được lắp đặt trên đỉnh công trình tạo ra một điện trường cục bộ rất mạnh, làm ion hóa không khí xung quanh, tạo đường dẫn an toàn cho sét truyền xuống đất.

Với TerraStreamer TSP-60 của ALLTEC, kim thu sét phát xạ sớm một cách chủ động với độ lợi thời gian (ΔT) là 61µs so với các đầu thu lôi truyền thống, tạo ra đường tiên đạo hướng lên sớm và cao đến 61 mét kể từ đầu kim.

Các công nghệ phát xạ sớm

Trên thị trường hiện nay có nhiều công nghệ phát xạ sớm khác nhau được sử dụng trong kim thu sét:

1. Công nghệ Di-Electrical: Được công bố đầu tiên tại Tây Ban Nha, là loại đơn giản nhất. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự khác nhau về điện thế giữa những phần kim loại được cách điện. Nhược điểm là giá trị ngắt dòng phụ thuộc vào điều kiện môi trường và không có bất kỳ thiết bị lưu trữ nào.

2. Công nghệ sử dụng xung điện cao thế (Spark Gap): Được phát minh bởi công ty Helita vào năm 1985, tạo ra từ một trụ cách điện đóng vai trò vừa là điện cực nổi bên trên.

3. Công nghệ phóng điện sớm có kiểm soát: Khi có hiện tượng phóng điện do sét gây ra, kim thu sét chủ động phát ra tia tiên đạo đi lên thu bắt tia tiên đạo sét đi xuống, điều này tăng được độ rộng bán kính bảo vệ.

Đối với kim thu sét hiện đại như Prevectron 2-S6.60, nguyên lý hoạt động diễn ra ở 3 mức: bộ phận ion hóa được tích điện thông qua các điện cực thấp; hiện tượng ion hóa được điều khiển bởi thiết bị phát hiện tia tiên đạo đi xuống; và sự kích hoạt sớm của tia tiên đạo hướng lên sử dụng hệ thống ion hóa phát ra tia lửa.

Cấu tạo và đặc điểm của kim thu sét phát xạ sớm

Kim thu sét phát xạ sớm thường có cấu tạo gồm các thành phần chính sau:

1. Đầu kim (Emitter Tip): Là phần phát tia tiên đạo sớm, được thiết kế với công nghệ đặc biệt để tạo ra các xung điện áp cao. Thường được làm từ vật liệu dẫn điện tốt như đồng hoặc hợp kim đặc biệt.

2. Thân kim (Rod Body): Dẫn dòng điện sét từ đầu kim xuống dây dẫn sét. Thân kim thường được làm từ vật liệu chắc chắn và chống ăn mòn như thép không gỉ hoặc hợp kim nhôm.

3. Bộ phát xung (Impulse Generator): Bộ phận quan trọng giúp tạo ra các xung điện áp cao để phát tia tiên đạo sớm. Bộ phát xung thường được tích hợp bên trong thân kim thu sét.

4. Đế gắn (Mounting Base): Giúp gắn và cố định kim thu sét ESE vào công trình.

Về kích thước, ví dụ như kim thu sét Bakiral-Alfas có đỉnh kim dài 270mm, đường kính đỉnh kim 20mm, bầu tạo ion 310mm, đường kính bầu kim 190mm, thân kim 170mm, và tổng chiều dài khoảng 650mm.

Bán kính bảo vệ và hiệu quả

Bán kính bảo vệ của kim thu sét phát xạ sớm phụ thuộc vào model và độ cao lắp đặt. Theo các nhà sản xuất, kim thu sét ESE có thể có bán kính bảo vệ từ 40m đến 120m, tùy theo mức độ bảo vệ và chiều cao lắp đặt.

Ví dụ các thông số bán kính bảo vệ của một số loại kim thu sét:

• ESE 15: 64m

• ESE 30: 79m

• ESE 50: 97m

• ESE 60: 107m

• ESE 60SJ: 125m

• ESE 60SM: 145m3

Đối với TerraStreamer TSP-60 của ALLTEC, bán kính vùng bảo vệ theo mức IV là 107 mét, xét với độ cao quy ước 6 mét tính từ đỉnh kim1.

Kim thu sét ABB ORP-30 của Pháp có bán kính bảo vệ từ 48m đến 71m tùy theo cấp độ bảo vệ (cấp 1 đến cấp 4).

So sánh với kim thu sét cổ điển

So với kim thu sét cổ điển (Franklin), kim thu sét phát xạ sớm có nhiều ưu điểm nổi bật:

Ưu điểm:

• Bán kính bảo vệ rộng hơn so với kim thu sét cổ điển.

• Hiệu quả cao trong việc dẫn sét, giảm thiểu nguy cơ sét đánh lan truyền.

• Dễ dàng lắp đặt trên các công trình cao tầng, nhà máy, khu công nghiệp.

• Mỗi công trình thường chỉ cần dùng một kim thu sét phát tia tiên đạo, không cần bố trí nhiều kim thu sét cổ điển, bảo đảm mỹ quan cho công trình.

• Nhu cầu bảo dưỡng ít hơn và tuổi thọ cao hơn.

Tranh cãi về hiệu quả:

Mặc dù có nhiều ưu điểm được quảng cáo, nhưng theo nghiên cứu của Viện Vật lý Địa Cầu, kim thu sét lắp đặt trên các trụ cao chừng 15m thực tế chỉ có bán kính bảo vệ vào khoảng 12-18m, nhỏ hơn nhiều so với giá trị quảng cáo (107m).

Viện Vật lý Địa Cầu khẳng định: “Kim thu sét tia tiên đạo cũng chỉ như kim thu sét thông thường khi đặt cùng độ cao.” Họ cho rằng các tiêu chuẩn mới nhất chống sét cho công trình của quốc tế IEC, Mỹ, Nga, Anh, Việt Nam và nhiều nước khác đều không sử dụng kim thu sét phát xạ sớm.

Các loại kim thu sét phát xạ sớm phổ biến trên thị trường

Thị trường hiện nay có nhiều loại kim thu sét phát xạ sớm với xuất xứ và giá thành khác nhau:

1. Kim thu sét Liva (Thổ Nhĩ Kỳ):

   • Giá thành: 3 triệu đến 6,5 triệu đồng

   • Sử dụng chủ yếu cho nhà dân, nhà xưởng công nghiệp.

2. Kim thu sét Stormaster (Úc):

   • Giá thành: 3,5 triệu đến 12 triệu đồng

   • Sử dụng cho nhà biệt thự, nhà dân, nhà xưởng, trường học, bệnh viện, đền chùa.

3. Kim thu sét Ingesco (Tây Ban Nha):

   • Giá thành: 7 triệu đến 17 triệu đồng

   • Sử dụng cho nhà máy, nhà xưởng, bệnh viện, trường học, công trình công cộng.

4. Kim thu sét Helita Pulsar (Pháp):

   • Giá thành: 28 triệu đến 51 triệu đồng

   • Sử dụng cho công trình vốn ngân sách nhà nước.

5. Kim thu sét Bakiral (Thổ Nhĩ Kỳ):

   • Các model: ESE15, ESE30, ESE50, ESE60, ESE60 SJ, ESE60 SM

   • Giá thành: 2,675,000 đến 4,800,000 đồng

   • Bảo hành: 12 tháng.

6. Kim thu sét ABB (Pháp):

   • Các model: ORP30, ORP45, ORP60

   • Giá thành: 16,000,000 đến 27,000,000 đồng

   • Bảo hành: 12 tháng.

7. Kim thu sét TerraStreamer (USA):

   • Model TSP-60 với bán kính bảo vệ 107m

   • Được lắp đặt cho nhà máy công nghiệp và công trình công cộng.

Ứng dụng của kim thu sét phát xạ sớm

Kim thu sét phát xạ sớm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Bảo vệ nhà dân, cảng biển, nhà xưởng, tháp truyền hình, công trình cao.

• Bảo vệ các hệ thống điện năng lượng mặt trời trang trại, cho các nhà xưởng hoặc khu vực công cộng.

• Bảo vệ cho trường học, bệnh viện, đền chùa, trụ sở cơ quan.

• Bảo vệ cho các công trình công nghiệp, khu vực thể thao văn hóa cộng đồng.

• Bảo vệ cho các công trình quân đội và các công trình công cộng khác.

TerraStreamer thường được lắp bảo vệ cho các hệ thống điện năng lượng mặt trời trang trại, cho các nhà xưởng hoặc khu vực công cộng, và đạt được chứng nhận về bán kính bảo vệ theo tiêu chuẩn UNE21186 và NFC 17102.

Kết luận

Kim thu sét phát xạ sớm là một giải pháp công nghệ hiện đại cho việc bảo vệ công trình khỏi tác động của sét. Với nguyên lý hoạt động dựa trên cơ chế phát tia tiên đạo sớm, thiết bị này hứa hẹn một vùng bảo vệ rộng lớn hơn so với kim thu sét cổ điển.

Tuy nhiên, vẫn tồn tại những tranh cãi về hiệu quả thực tế của kim thu sét phát xạ sớm. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng bán kính bảo vệ thực tế có thể nhỏ hơn nhiều so với giá trị được quảng cáo. Điều này đặt ra yêu cầu cần có thêm những nghiên cứu khoa học khách quan để đánh giá chính xác hiệu quả của loại kim thu sét này.

Khi lựa chọn giải pháp chống sét cho công trình, người tiêu dùng cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa thông tin quảng cáo và thực tế, đồng thời tham khảo ý kiến của các chuyên gia trong lĩnh vực này. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn chống sét hiện hành cũng là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn cho công trình và con người.