Giáo trình môn Lắp đặt điện

, tinh thần trách nhiệm và tác phong công nghiệp.
Khái niệm chung về hệ thống nối đất và trống sét.
Mục tiêu: Trình bày được khái niệm về nối đất và chống sét.
Hệ thống nối đất.
Một số khái niệm , định nghĩa.
a. Hệ thống nối đất – tập hợp các cực tiếp địa và dây nối đất có nhiệm vụ truyền dẫn dòng điện xuống đất. Hệ thống nối đất bao gồm nối đất tự nhiên và nối đất nhân tạo. 
b. Cực tiếp địa – Cọc bằng kim loại dạng tròn, ống hoặc thép góc, dài 2¸3 mét được đóng sâu trong đất. Các cọc này được nối với nhau bởi các thanh giằng bằng phương pháp hàn.
c. Hệ thống nối đất tự nhiên – hệ thống các thiết bị, công trình ngầm bằng kim loại có sẵn trong lòng đất như các cấu kiện bê tông cốt thép, các hệ thống ống dẫn bằng kim loại, vỏ cáp ngầm v.v. 
d. Hệ thống nối đất nhân tạo – hệ thống bao gồm các cực tiếp địa bằng thép hoặc bằng đồng được nối liên kết với nhau bởi các thanh ngang. Phân biệt hai dạng nối đất là nối đất làm việc và nối đất bảo vệ.
e. Hệ thống nối đất làm việc – hệ thống nối đất mà sự có mặt của nó là điều kiện tối cần thiết để các thiết bị làm việc bình thường, ví dụ nối đất điểm trung tính của máy biến áp, nối đất của các thiết bị chống sét v.v.
f. Hệ thống nối đất bảo vệ – hệ thống nối đất với mục đích loại trừ sự nguy hiểm khi có sự tiếp xúc của người với các phần tử bình thường không mang điện nhưng có thể bị nhiễm điện bất ngờ do những nguyên nhân nào đó. Ví dụ nối đất vỏ thiết bị, nối đất khung, bệ máy v.v. 
1.1.2. Vai trò của bảo vệ nối đất.
Vai trò bảo vệ của hệ thống nối đất này được giải thích như sau :
Khi có sự ngắn mạch chạm masse, nếu vỏ thiết bị không được nối đất (Hình 5.1.a) thì trên vỏ sẽ xuất hiện điện áp bằng điện áp pha, do đó sẽ gây nguy hiểm khi người tiếp xúc với nó. Nếu vỏ thiết bị được nối đất (Hình 5.1.b), thì giá trị điện áp tiếp xúc chỉ bằng độ rơi điện áp trên điện trở của hệ thống nối đất bảo vệ, nếu hệ thống nối đất bảo vệ có giá trị đủ nhỏ thì có thể đảm bảo được sự an toàn cho người khi tiếp xúc với vỏ thiết bị. 
b)
a)
Hình 5.1. Nguyên lý bảo vệ nối đất
a) khi chưa có nối đất vỏ thiết bị; b) khi có nối đất vỏ thiết bị.
Hệ thống chống sét.
 Hệ thống chống sét là hệ thống được lắp đặt ở các tòa nhà nhằm mục đích thu sét để ngăn chặn việc sét đánh trực tiếp vào tòa nhà để bảo vệ tòa nhà và con người.
 Một hệ thống chống sét tốt phải có khả năng nhận năng lượng sét từ hệ thống kim thu sét và giải phóng năng lượng này vào lòng đất một cách nhanh nhất, nhằm giảm thiểu khả năng lan truyền năng lượng sét trong hệ thống làm phá hỏng các thiết bị. Phạm vi thu sét của một hệ thống thu và dẫn sét không cố định nhưng có thể coi là một hàm của mức độ tiêu tán dòng điện sét. Bởi vậy phạm vi thu sét là một đại lượng thống kê.
Mặt khác, phạm vi thu sét ít bị ảnh hưởng bởi cách cấu tạo hệ thống thu và dẫn sét, cho nên sự sắp đặt theo chiều ngang và chiều thẳng đứng là tương đương nhau. Do đó không nhất thiết phải sử dụng các đầu thu nhọn hoặc chóp nhọn, ngoại trừ việc đó là cần thiết về mặt thực tiễn.
Hệ thống tiếp địa là bộ phận không thể tách rời đối với bất kỳ hệ thống chống sét nào. Nó đảm bảo cho việc dẫn các dòng xung sét từ các thiết bị bảo vệ xuống tổ đất tiếp địa công tác và tiêu tán năng lượng các xung này. Tiếp địa đóng vai trò quan trọng trong việc chống sét, nếu thiết bị chống sét không được tiếp địa tốt (điện trở đất quá cao), việc sét đánh vào mạng điện gây hậu quả lớn hoàn toàn có thể xảy ra. Tuỳ thuộc vào yêu cầu tiếp địa và điện trở đất của công trình ,chúng ta có thể xây dựng hệ thống tiếp địa an toàn  bằng đóng cọc, hoặc khoan giếng thả cọc với số lượng cọc hoàn toàn có thể tính toán được.
Hình 5.2. Cấu trúc chung của hệ thống đất chống sét:
Một hệ thống tiếp địa thông thường bao gồm các cọc sắt hoặc cọc sắt bọc đồng (có thể chỉ cần mạ đồng là đủ) được chôn chìm trong lòng đất. Các cọc này có thể dùng thép góc hoặc thép tròn để chế tạo, chiều dài thông thường từ 1,2 - 1,5 m. Các cọc được liên kết với nhau tạo thành một hệ thống lưới tiếp địa có điện trở phù hợp với yêu cầu chống sét của công trình. Trong nhiều trường hợp, điện trở của lưới tiếp địa quá cao cho dù đã gia tăng thêm số cọc đóng vào lòng đất. Để có thể đạt điện trở đất như mong muốn, trong kỹ thuật chống sét sử dụng các loại hoá chất làm giảm trở kháng đất (GEM). Để giảm điện trở cho hệ thống tiếp địa và đảm bảo sự làm việc ổn định của hệ thống, ngày nay các mối liên kết giữa dây dẫn sét với cọc tiếp địa được liên kết với nhau bằng phương pháp hàn hoá nhiệt ( Cad-Weld) thay vì dùng kẹp nối hay hàn hơi như trước kia ...
Hoá chất giảm điện trở đất (GEM): Đây là hoá chất gồm hai thành phần khi trộn lẫn với nhau trong nước khi đổ lên vùng chôn các điện cực sẽ tạo nên một lớp keo hồ (GEM) đồng nhất. Chính vì thế nó không bị rửa trôi giống như muối tro và tồn tại trong đất nhiều năm. Hợp chất này tỏ ra đặc biệt thích hợp ở những vùng đất trung du, đồi núi của Việt Nam.
Mối hàn hoá nhiệt (Cad-Weld): Là công nghệ tiên tiến, dựa vào phản ứng nhiệt nhôm có nhiệt độ nóng chảy cao trên 30000 C, được hàn bởi khuôn hàn nên có độ thẩm mỹ cao, đồng nhất về khối, không có khiếm khuyết dị tật, bởi vị trí được hàn được nóng chảy hoàn, các xỉ than và phụ gia hàn được nổi lên trên . Nên nó có ưu điểm hơn so với các loại hàn hơi, hay kẹp cáp thông thường là tránh được sự ăn mòn điện hoá giữa các kim loại được nối với nhau, độ thẩm mỹ cao, khả năng tiêp xúc tốt và bền về cơ học.
Hệ thống tiếp địa thường được bố trí gần công trình. Trong điều kiện bất khả kháng thì mới đặt xa công trình, khi đó phải tham khảo thêm các tiêu chuẩn về điện trở đất. Sau khi hoàn thành hệ thống này sẽ được nối lên các kẹp nối để liên kết với hệ thống thu và dẫn sét. Yêu cầu hệ thống chống sét lan truyền sau  khi hoàn thành hệ thống tiếp đất này có giá trị điện trở đất  phải phù hợp với các tiêu chuẩn của ngành, của nhà nước, của nước sản xuất thiết bị.
Đẳng thế hệ thống đất:
Một công trình có thể bao gồm nhiều hệ thống tiếp địa: Hệ thống đất trực tiếp, hệ thống đất chống sét lan truyền, hệ thống đất công tác (nối mass). Để đảm bảo cân bằng điện thế, tránh xảy ra hiện tượng chênh lệch điện thế giữa các hệ thống mass làm phá hỏng thiết bị điện tử cần phải thực hiện nối đẳng thế các hệ thống tiếp địa. Nhưng việc nối đẳng thế có thể gây rủi ro do nếu dòng điện sét quá lớn gây ra hiện tượng dòng điện sét lan truyền từ hệ thống đất qua đường đẳng thế xâm nhập vào thiết bị làm cho thiết bị cắt sét bị đánh ngược, làm tăng đột biến điện áp gây hỏng máy móc, thiết bị. Để khắc phục hiện tượng này ta lắp đặt thêm thiết bị nối đẳng thế để nối các hệ thống tiếp địa. Thiết bị này làm việc như một biến trở cực lớn tăng điện trở tối đa phân cách khi mức xung sét tại tổ đất trực tiếp là quá cao đến một giới hạn nhất định.
Lắp đặt hệ thống nối đất.
Mục tiêu: Lắp đặt được hệ thống nối đất.
Nối đất tự nhiên.
Nối đất tự nhiên là tập hợp các cực tiếp địa và dây nối đất có nhiệm vụ truyền dẫn dòng điện xuống đất thông qua hệ thống các thiết bị, công trình ngầm bằng kim loại có sẵn trong lòng đất như các cấu kiện bê tông cốt thép, các hệ thống ống dẫn bằng kim loại, vỏ cáp ngầm v.v. 
Những bộ phận sau đây được sử dụng để làm nối đất tự nhiên:
- Các ống dẫn nước và các ống dẫn bằng kim loại khác đặt dưới đất, ngoại trừ các ường ống dẫn chất lỏng dễ cháy, khí, và các hợp chất cháy nổ.
- Các ống chôn trong đất của giếng khoan, các kết cấu kim lọai và cốt thép nằm dưới đất của các nhà và các công trình xây dựng, các đường ống kim loại của công trình thuỷ lợi.
- Vỏ bọc chì của dây cáp đặt trong đất, không được phép sử dụng vỏ nhôm của dây cáp để làm cực nối đất tự nhiên.
- Nối đất của cột điện thuộc đường dây tải điện đã được nối với trang bị nối đất của thiết bị điện bằng dây chống sét của đường dây nếu như dây chống sét không bị cách ly với cột của đường dây.
- Dây không của đường dây tải điện trên không điện áp đến 1000V có nối đất lặp lại khi số đường dây không ít hơn 2.
- Các cụm nối đất phải được nối với trục nối đất ít nhất ở 2 chỗ khác nhau. Yêu cầu này không áp dụng đối với cột điện của đường dây tải điện trên không và với vỏ kim loại của cáp.
Để tiến hành việc lắp đặt hệ thống nối đât ta phải thực hiện các bước sau:
Khảo sát khu vực ta định tiến hành nối đất. Tìm ra điểm nối đất phù hợp.
Chạy một đường dây nối từ điểm nối đất đến vị trí thiết bị cần nối.
Nối dây nối đất của các vỏ máy, vỏ thiết bị vào dây nối đất đã chờ sẵn. 
Nối đất nhân tạo.
a) Trang thiết bị cho nối đất nhân tạo.
Nối đất nhân tạo được thực hiện bằng các cọc thép tròn được mạ đồng hoặc bằng inox, thép ống, thanh thép dẹt hay thép góc dài 2 – 3m, đóng sâu xuống đất, đầu trên của chúng cách mặt đất 0,5 – 0,7 m để tránh thay đổi của điện trở đất theo thời tiết. Các cọc thép được hàn nối với nhau bằng các thanh thép đặt nằm ngang và cũng được chôn sâu cách mặt đất 0,5 – 0,7m.
Hình 5.3. Một số cọc tiếp địa thông dụng
Để chống ăn mòn kim loại, các ống thép và các thanh thép dẹt hay thép góc phải có bề dày không nên nhỏ hơn 4 mm.
Dây nối đất cần phải có thiết diện đảm bảo được độ bền về cơ khí và độ ổn định nhiệt. Thường dùng thép có tiết diện 120 mm2, nhôm 35 mm2 hoặc đồng 25 mm2.
Hình 5.4. Dây nối đất bằng thép bọc đồng
Tất cả các chỗ nối của trang bị nối đất được thực hiện bằng cách hàn chồng, chiều dài chỗ hàn phải ít nhất bằng 2 lần chiều rộng của thép dẹt hoặc 6 lần đường kính của thép tròn. Chỗ hàn phải được bảo vệ chống ăn mòn.
Khi đấu dây nối đất vào các đường ống mà ở đó nếu hàn có thể gây ra biến dạng thì dùng vòng đai bằng thép thanh dày ≥ 4mm.
b) Các hình thức thực hiện nối đất nhân tạo.
- Nối đất tập trung: dùng một thanh nối đất hay nhiều thanh nối đất đặt tập trung một chỗ. Điều kiện để đảm bảo an toàn cho người là: 
Iđ x Rđ <= Utxcp
 Điều kiện trên nhiều khi rất khó thực hiện vì hoặc do điện trở suất của đất quá lớn, hoặc dòng điện qua hệ thống nối đất rất lớn. Như vậy khi có dòng điện Iđ đi qua thì điện thế phân bố trên mặt đất rất không có lợi (cả Utx và Ubước đều lớn).
 Để tăng độ an toàn, tránh Utx và Ubước còn khá lớn, người ta dùng hình thức nối đất hình lưới (hay hình vòng).
- Nối đất hình lưới điện cực nối đất là một lưới sắt rộng chôn phía dưới khu vực đặt thiết bị được bảo vệ (hoặc chỉ chôn theo chu vi mạch vòng của khu vực được bảo vệ). Có thể đóng thêm các cọc theo chu vi mạch vòng và ở các mắt lưới. Với hình thức nối đất này, trong khu vực được bảo vệ cả Utx và Ubước đều được giảm thấp đảm bảo an toàn cho người. 
Theo phương thức bố trí, hệ thống nối đất được phân biệt hai loại là nối đất ngoại biên và nối đất bao quanh (hình 5.2). Nối đất ngoại biên thường được bố trí xa vị trí đặt thiết bị (hình 5.3). Nối đất bao quanh có thể được thực hiện theo vòng kín hoặc vòng hở.
Hình 5.2. Các loại hệ thống nối đất.
a, Nối đất ngoại biên
b, Nối đất bao quanh
Ở hệ thống nối đất bao quanh, trường phân bố dòng điện từ các cực tiếp địa đan vào nhau, do đó điện thế tại điểm bất kỳ trên mặt đất bên trong khung tiếp địa khá cao. Tuy nhiên, hiệu điện thế giữa các điểm trên lãnh thổ bên trong khung của hệ thống nối đất lại giảm, do đó điện áp tiếp xúc sẽ không lớn.
Hình 5.3. Nối đất ngoại biên
a) Mạch vòng; b) Mạch thẳng;
1- Cực tiếp địa; 2- Dây nối đất; 
3- Thiết bị ; 4- Thanh nối.
Các bước nối đất nhân tạo.
Để thực hiện việc nối đất ta phải tiến hành các bước sau.
Đóng cọc tiếp địa: cọc tiếp địa là các cọc thép tròn, thép ống, thanh thép dẹt hay thép góc dài 2 – 3m, đóng sâu xuống đất, đầu trên của chúng cách mặt đất 0,5 – 0,7 m. Để đóng cọc tiếp địa xuống độ sâu cần thiết ta phải đào hào xung quanh khu vực cần nối đất, độ sâu của hào từ 0,5 – 0,7 m sau đó đóng các cọc xuống cho đến khi đầu cọc bằng với đáy hào ta vừa đào.
Hàn nối các cọc tiếp địa với nhau bằng các thanh thép dẹt nằm ngang. Ta dùng máy hàn để hàn nối các đầu cọc với nhau.
Nối đường dây nối đất vào lưới tiếp địa vừa hàn, nếu dùng dây thép làm dây nối đất ta có thể hàn trực tiếp vào lưới, nếu dùng dây nhôm hoặc đồng ta tiến hành quấn thành nhiều vòng để đảm bảo dây nối đất tiếp xúc tốt với lưới tiếp địa.
Lấp đất, khi lấp đất ta phải dung loại đất tơi và có khả năng giữ ẩm tốt, tránh dùng gạch và đá để lấp.
Nối dây nối đất của các vỏ máy, vỏ thiết bị vào dây nối đất đã được chờ sẵn. 
Lắp đặt hệ thống chống sét.
Mục tiêu: Lắp đặt được hệ thống chống sét cho tòa nhà.
 Lắp đặt kim thu sét.
Hình 5.4. Một số hình ảnh về kim thu sét.
Kim thu sét là một thiết bị bằng thép không gỉ, kim này có tác dụng tạo một đường dẫn dòng sét xuống đất theo đường dây dẫn sét. Để kim thhu sét phát huy tác dụng ta phải gắn kim trên một trụ đỡ cao ít nhất là 2m so với mặt của trần tòa nhà.
Để lắp đặt kim thu sét ta tiến hành theo các bước sau.
Lắp đặt trụ đỡ kim: Trụ đỡ kim được xây dựng bằng gạch, cột bê tông hoặc bằng thép có chiều cao tối thiểu 2m và được đặt ở trung tâm của mái nhà.
Hình 5.4. Trụ đỡ kim thu sét
Đặt kim thu sét vào vị trí cần đặt và tiến hành cố định kim thu sét (kim thu sét phải được cố định chắc chắn để tránh trường hợp bão gió làm đổ và hỏng kim)
Hình 5.5. Kim thu sét được gắn vào trụ
 Đặt đường dây dẫn sét nằm trên mái.
Đường dây dẫn sét là một thanh thép dẹt được đặt song song với mặt mái và được bắt cố định trên mặt mái bằng các đai thép. Đường dây dẫn sét có nhiệm vụ dẫn sét từ kim thu sét xuống cọc tiếp địa.
Hình 5.6. Đường dây dẫn sét nằm trên mái
Để lắp đặt đường dây dẫn sét nằm trên mái ta tiến hành các bước sau.
Khoan lỗ, đặt sâu vít trên mặt mái (chú ý khi khoan lỗ đặt sau vít ta chỉ khoan lỗ có đọ sâu vừa với chiều dài của sâu vít để tránh làm hỏng mặt mái).
Đặt các miếng đế đỡ bằng cao su dọc theo đường đi của dây dẫn sét.
Đặt dây dẫn sét lên trên tấm đế đỡ.
Bắt đai thép cố định dây dẫn sét.
Đấu nối đường dây dẫn với kim thu sét
Đường dây dẫn sét đứng trên tường.
Đường dây dẫn sét đứng trên tường được nói liền vơid đường dây nằm trên mái và cũng được cố định chắc chắn. Đường dây được nối với kim thu sét thông qua đường dây nằm trên mái xuống cọc tiếp địa dọc theo tường.
Khi bắt đường dây đứng dọc theo tường ta cũng dùng các cọc sắt được trôn trong tường để hàn cố định cố định dây dẫn sét hoặc có thể dung các đai thép để cố định. Việc bắt cố định đường dây đứng dọc theo tường ta có thể sử dụng giàn giáo để khoan lỗ bắt sâu vít hoặc dung xe cẩu thùng để bắt đối với những nhà cao tầng.
Hình 5.7. Đường dây dẫn sét đứng dọc theo tường.
Nối dây dẫn sét vào hệ thống nối đất.
Khi lắp đặt song hệ thống dây dẫn sét ta tiến hành liên kết dây dẫn sét với hệ thống nối đất để đảm bảo khi có sét đánh, sét được truyền qua hệ thống kim thu, dây dẫn và được truyền xuống đất.
Câu hỏi ôn tập:
Câu 1: Trình bày khái niệm chung về hệ thong nối đất và chống sét?
Câu 2: Trình bày các bước lắp đặt hệ thống nối đất?
Câu 3: Trình bày các bước lắp đặt hệ thống chống sét?
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Nghề Điện dân dụng - Nguyễn Văn Bính - Trần Mai Thu. Nhà xuất bản giáo dục 1994
- Giáo trình Kỹ thuật lắp đặt điện – Phan Đăng Khải . Nhà xuất bản giáo dục 2004.
- Vật liệu kỹ thuật điện - Nguyễn Xuân Phú - Hồ Xuân Thanh. NXB khoa học và kỹ thuật 2001.