Trong hệ thống chống sét hiện đại, người ta thường quan tâm nhiều đến kim thu sét hoặc thiết bị chống sét lan truyền, nhưng theo TCVN 9888 hiệu quả thực sự của hệ thống bảo vệ chống sét – LPS lại phụ thuộc rất lớn vào hệ thống nối đất. Một hệ thống thu sét tốt nhưng tiếp địa không đảm bảo tính liên tục điện, không chịu được dòng xung sét hoặc suy giảm theo thời gian vẫn có thể trở thành điểm yếu nghiêm trọng.
Trong cấu hình đó, cọc tiếp địa là phần tử cơ bản nhưng đóng vai trò quyết định đến khả năng tản dòng sét, kiểm soát điện áp chạm và đảm bảo đẳng thế cho toàn bộ công trình. Bài viết này sẽ phân tích cọc tiếp địa dưới góc nhìn tiêu chuẩn TCVN 9888, đồng thời so sánh hai phương pháp liên kết phổ biến trong thi công là hàn hóa nhiệt và liên kết cơ khí để đưa ra khuyến nghị lựa chọn phù hợp theo từng loại công trình.
1. Cọc tiếp địa trong hệ thống chống sét
Theo TCVN 9888, hệ thống bảo vệ chống sét – LPS bao gồm ba phần chính: hệ thống thu sét, hệ thống dẫn sét và hệ thống nối đất. Trong đó, hệ thống nối đất có nhiệm vụ tiếp nhận và phân tán dòng sét xuống đất một cách an toàn, hạn chế sự gia tăng điện thế cục bộ gây nguy hiểm cho con người và thiết bị. TCVN 9888-3 nhấn mạnh rằng hệ thống nối đất phải đảm bảo khả năng tản dòng sét với dạng sóng 10/350 µs, có biên độ có thể lên tới hàng trăm kA tùy cấp bảo vệ LPS.
Cọc tiếp địa chính là một dạng điện cực thẳng đứng được đóng sâu xuống đất, thường chế tạo từ thép mạ đồng, thép mạ kẽm nhúng nóng hoặc đồng đặc, nhằm tăng diện tích tiếp xúc với đất và giảm điện trở nối đất tổng thể của hệ thống. Trong cấu hình thực tế, cọc tiếp địa có thể được sử dụng độc lập, bố trí theo vòng tiếp địa bao quanh công trình, hoặc tích hợp vào lưới tiếp địa dạng mắt lưới trong các công trình công nghiệp và trạm điện.
Vai trò của cọc tiếp địa không chỉ dừng lại ở việc “giảm điện trở nối đất”, mà còn liên quan trực tiếp đến việc phân bố điện thế trong đất, giảm điện áp bước và điện áp chạm, cũng như đảm bảo liên kết đẳng thế giữa các phần kim loại của công trình. Như vậy, khi định nghĩa cọc tiếp địa, cần đặt nó trong tổng thể hệ thống LPS theo tiêu chuẩn, thay vì xem như một thanh kim loại đơn lẻ đóng xuống đất.
Xem thêm: Cọc tiếp địa mạ đồng
2. Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống tiếp địa theo TCVN 9888-3
TCVN 9888-3 quy định rõ hệ thống nối đất phải đáp ứng đồng thời nhiều yêu cầu kỹ thuật, trong đó giá trị điện trở nối đất chỉ là một phần của bức tranh tổng thể. Tùy theo cấp bảo vệ LPS I, II, III hoặc IV, mức độ khắt khe về thiết kế và khả năng chịu dòng xung sét sẽ khác nhau, nhưng nguyên tắc chung là hệ thống phải đảm bảo tản dòng sét hiệu quả và duy trì tính liên tục điện trong suốt vòng đời công trình.
Giá trị điện trở nối đất thường được khuyến nghị ở mức thấp, ví dụ dưới 10 Ω cho công trình thông thường, thấp hơn đối với trạm điện, trung tâm dữ liệu hoặc công trình năng lượng; tuy nhiên IEC 62305 nhấn mạnh rằng cấu trúc hình học và sự liên kết đẳng thế quan trọng không kém giá trị điện trở đo được.
Ngoài ra, hệ thống nối đất phải có khả năng chịu dòng xung sét với dạng sóng 10/350 µs mà không bị hư hỏng cơ học hay suy giảm điện tính, đồng thời đảm bảo độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn trong môi trường đất ẩm, đất có tính ăn mòn cao hoặc môi trường công nghiệp.
Một yêu cầu then chốt khác là tính liên tục điện, nghĩa là tất cả các phần tử của hệ thống phải được liên kết sao cho không xuất hiện điểm gián đoạn hoặc tăng điện trở cục bộ. Chính tại đây, mối nối giữa cọc tiếp địa và dây dẫn, giữa các dây vòng hoặc trong lưới tiếp địa trở thành yếu tố trọng yếu, bởi nếu mối nối suy giảm theo thời gian, toàn bộ hệ thống sẽ không còn đáp ứng tinh thần của IEC 62305 về độ bền lâu dài tương đương công trình.
3. Hàn hóa nhiệt trong thi công tiếp địa theo yêu cầu IEC 62305
Hàn hóa nhiệt là phương pháp liên kết sử dụng phản ứng nhiệt nhôm để tạo ra kim loại nóng chảy ở nhiệt độ rất cao, thường trên 2.000°C, làm nóng chảy bề mặt các vật dẫn và tạo thành liên kết đồng nhất về mặt phân tử. Khác với liên kết cơ khí chỉ dựa trên lực ép bề mặt, hàn hóa nhiệt tạo ra một mối nối kim loại liền khối, không tồn tại bề mặt tiếp xúc rời và không phụ thuộc vào lực siết hay bulong cố định.
Về mặt kỹ thuật, điều này đồng nghĩa với việc điện trở tiếp xúc tại mối nối gần như tương đương với chính vật liệu dẫn, không hình thành điểm điện trở cục bộ có thể gây phát nhiệt khi có dòng xung sét lớn đi qua. Xét theo tiêu chí IEC 62305, hàn hóa nhiệt đáp ứng tốt yêu cầu về tính liên tục điện, khả năng chịu dòng xung sét và độ bền lâu dài, bởi mối nối không bị lỏng do rung động cơ học, giãn nở nhiệt hay ăn mòn tại bề mặt tiếp xúc.
Trong thực tế thi công, hàn hóa nhiệt được sử dụng phổ biến để liên kết cọc tiếp địa với dây đồng trần, liên kết các dây vòng tiếp địa bao quanh công trình hoặc tạo điểm nối trong lưới tiếp địa công nghiệp, đặc biệt trong các công trình yêu cầu LPS cấp I-II, trạm biến áp, nhà máy năng lượng tái tạo hoặc trung tâm dữ liệu.
Do mối nối có tính “vĩnh viễn”, phương pháp này phù hợp với các công trình có vòng đời 20-30 năm hoặc dài hơn, nơi việc bảo trì định kỳ tại các mối nối ngầm dưới đất là rất khó khăn.
Xem thêm: Thuốc hàn hóa nhiệt là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của hàn hóa nhiệt trong hệ thống tiếp
4. Liên kết cơ khí trong thi công tiếp địa và giới hạn theo tiêu chuẩn
Liên kết cơ khí là phương pháp sử dụng kẹp tiếp địa, bulong siết, đai ép hoặc clamp để tạo tiếp xúc giữa hai vật dẫn bằng lực cơ học. Ưu điểm của phương pháp này là thi công nhanh, không cần khuôn hàn hay vật liệu phản ứng, dễ thay thế hoặc tháo lắp khi cần sửa chữa. Tuy nhiên, xét dưới góc độ tiêu chuẩn IEC 62305, liên kết cơ khí tồn tại một số giới hạn kỹ thuật đáng lưu ý.
Thứ nhất, điện trở tiếp xúc phụ thuộc trực tiếp vào lực siết và chất lượng bề mặt tiếp xúc; nếu lực siết không đủ hoặc suy giảm theo thời gian do rung động, co ngót vật liệu hay giãn nở nhiệt, điện trở tại mối nối có thể tăng lên.
Thứ hai, bề mặt tiếp xúc kim loại trong môi trường đất ẩm dễ bị oxy hóa hoặc ăn mòn điện hóa, hình thành lớp màng cách điện mỏng làm tăng điện trở cục bộ.
Thứ ba, khi có dòng xung sét lớn đi qua, điểm tiếp xúc cơ khí có thể trở thành vị trí phát nhiệt cao, tiềm ẩn nguy cơ suy giảm cơ học.
Tuy nhiên, không thể phủ định hoàn toàn phương pháp liên kết cơ khí; trong các công trình dân dụng nhỏ, hệ thống có thể kiểm tra bảo trì định kỳ hoặc các mối nối nằm ở vị trí dễ tiếp cận, liên kết cơ khí vẫn có thể được sử dụng hợp lý, đặc biệt khi yêu cầu về tuổi thọ không quá dài hoặc mức độ rủi ro thấp.
5. So sánh hàn hóa nhiệt và liên kết cơ khí theo tiêu chí IEC 62305
Để đánh giá khách quan, cần đặt hai phương pháp dưới cùng hệ tiêu chí kỹ thuật dựa trên yêu cầu của IEC 62305 về tính liên tục điện, khả năng chịu dòng xung và độ bền lâu dài. Bảng dưới đây tổng hợp so sánh chi tiết:
Từ bảng so sánh có thể thấy, với các công trình yêu cầu LPS cấp I-II theo IEC 62305, nơi dòng sét thiết kế lớn và mức độ rủi ro cao, hàn hóa nhiệt là phương pháp liên kết đáp ứng đầy đủ hơn về mặt kỹ thuật. Đối với hệ thống yêu cầu bảo trì tối thiểu, vị trí mối nối nằm ngầm dưới đất và khó tiếp cận, lựa chọn mối nối vĩnh viễn là giải pháp hợp lý để duy trì hiệu quả nối đất trong suốt vòng đời công trình.
6. Khuyến nghị lựa chọn phương pháp thi công theo loại công trình
Đối với công trình công nghiệp, nhà máy năng lượng, trạm biến áp hoặc hệ thống có yêu cầu cao về an toàn và độ tin cậy, nên ưu tiên hàn hóa nhiệt cho các mối nối chính giữa cọc tiếp địa và dây dẫn, cũng như trong lưới tiếp địa. Điều này đảm bảo hệ thống duy trì tính liên tục điện và khả năng chịu dòng xung lớn trong nhiều năm mà không phụ thuộc vào bảo trì thường xuyên.
Với nhà xưởng quy mô trung bình, có thể áp dụng giải pháp kết hợp: sử dụng hàn hóa nhiệt cho các mối nối chính chịu dòng sét trực tiếp, trong khi các mối phụ hoặc vị trí dễ tiếp cận có thể dùng liên kết cơ khí để thuận tiện cho việc kiểm tra và thay thế.
Đối với công trình dân dụng nhỏ, nơi yêu cầu về cấp bảo vệ không quá cao và có thể kiểm tra định kỳ, liên kết cơ khí vẫn là lựa chọn khả thi, nhưng cần đảm bảo vật tư đạt chất lượng và quy trình siết lực đúng tiêu chuẩn.
Theo tinh thần của IEC 62305, hệ thống nối đất phải đảm bảo tính liên tục điện và độ bền lâu dài tương đương công trình; do đó, lựa chọn phương pháp liên kết không đơn thuần là quyết định về chi phí hay tiện lợi thi công, mà là quyết định về mức độ an toàn và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống chống sét.
Cọc tiếp địa là thành phần cốt lõi của hệ thống nối đất trong LPS theo TCVN 9888. Khi đánh giá giữa hàn hóa nhiệt và liên kết cơ khí, cần dựa trên yêu cầu kỹ thuật về khả năng chịu dòng xung, tính liên tục điện và độ bền lâu dài. Trong các công trình công nghiệp, năng lượng và hạ tầng quan trọng, hàn hóa nhiệt thường là giải pháp ưu tiên để đảm bảo hệ thống nối đất thực sự đáp ứng tiêu chuẩn và duy trì hiệu quả trong suốt vòng đời công trình.
