Tính Toán Chống Sét, Tính Bán Kính Bảo Vệ Chống Sét, Thiết Kế Chống Sét

Tính toán chống sét, tính bán kính bảo vệ chống sét, thiết kế chống sét Cách tính bán kính bảo vệ theo công thức của NFC 17102

 

 

Trước tiên là một vài định nghĩa:

Tia sét xuống đất

Là sự phóng một luồng điện tích có nguồn gốc từ khí quyển  giữa các đám mây và mặt đất, bao gồm một hoặc nhiều dòng xung (đánh ngược).

Sét đánh

Một hoặc nhiều tia sét phóng xuống đất.

Điểm nổi bật

Là giao điểm giữa tia sét và mặt đất, công trình hay hệ thống chống sét.

Khối bảo vệ

Là khối – phạm vi ảnh hưởng của thiết bị dẫn phát tia tiên đạo sớm (ESE) trong đó bản thân thiết bị dẫn phát tia tiên đạo sớm chính là “điểm nổi bật”.

Mật độ sét – Ng

Số tia sét đánh xuống mặt đất hàng năm trên mỗi km2.

Mật độ đánh ngược – Na

Là số lượng sét đánh ngược hàng năm trên mỗi km2.  Xem bản đồ tại phụ lục B (NFC 17102)

Hệ thống chống sét

Hệ thống hoàn chỉnh được sử dụng để bảo vệ cấu trúc và các khu vực mở chống lại các tác động của sét. Nó bao gồm một cài đặt chống sét trực tiếp và một cài đặt bảo vệ chống sét lan truyền, nếu có.

Đầu phát xạ kim thu sét (ESE)

Một cột thu lôi được trang bị hệ thống kích hoạt sớm dòng ion hướng lên khi so sánh với cột thu lôi đơn giản (SR) ở cùng điều kiện.

Quá trình kích hoạt sớm

Hiện tượng vật lý với sự khởi đầu của vầng hào quang (corona) và tiếp tục lan truyền theo hướng lên trên.

Thời gian kích hoạt sớm (ΔT)

Thời gian của ESE đạt được tia hướng lên khi so sánh với một SR trong cùng điều kiện và phương pháp đánh giá. Giá trị này được diễn dải bằng  µs.

Thời gian kích hoạt sớm (ΔT) được dùng để xác định các bán kính bảo vệ. Điều này được thể hiện như sau:

∆T = TSR – TESE

Trong đó:

TSR là thời gian kích hoạt tia tiên đạo của kim thu sét cổ điển SR.

TESE là thời gian kích hoạt tia tiên đạo của kim thu sét ESE.

GIỚI HẠN ∆t LÊN TỐI ĐA 60µs TRONG TIÊU CHUẨN CHỐNG SÉT VỚI THIẾT BỊ ESE

Early Streamer Emission Air Terminations (ESEAT) bắt đầu phát tia tiên đạo trước khi các đối tượng khác (sét) kết nối với mặt đất. Đặc điểm này được chứng minh trong phòng thí nghiệm điện cao áp bằng các đo lường về thời gian phát tia tiên đạo (hay độ lợi thời gian của đầu thu ESE) ∆t, là yếu tố để xác định bán kính bảo vệ Rp. Công thức tính toán bán kính bảo vệ dựa trên một quá trình vật lý và nó không thể được áp dụng cho bất kỳ giá trị hay điều kiện nào được. Khi các tia sét tiếp cận mặt đất theo từng bước (các tia sét gãy khúc và chia ra các nhánh nhỏ). Theo mô hình điện hình học, tại mỗi bước (mỗi điểm gãy) nó có thể gặp bất kỳ điểm nào thuộc hình tròn bán kính r xung quanh điểm cuối cùng mà nó đạt được. Trong khi giảm dần nó làm tăng điện trường, sau đó phóng hào quang và tia tiên đạo xuất hiện tại một đối tượng trên mặt đất. Khi cả hai điều kiện được đáp ứng thì sẽ xuất hiện một đường hồ quang dẫn dòng sét được tạo ra. Dòng sét có cường độ thấp (khoảng 2-3kA) là một trong những khó khăn lớn nhất, vì để đáp ứng các điều kiện cần thiết nhằm hình thành đường hồ quang dẫn sét nó (tia sét) phải đến rất gần cấu trúc được bảo vệ. Tuy là nhỏ, nhưng với cường độ hàng nghàn ampe thì các tia sét này luôn có khả năng phá hủy mạnh mẽ. Các thí nghiệm mô phỏng điện trường tại mỗi cấp độ cấu trúc. Nếu khoảng cách giữa tấm (tạo sét) và đầu ESE là rất lớn, sau đó một điện áp cao được áp dụng cho các tấm để đạt được tia tiên đạo trong khi các điều kiện khác được cố định cho hệ số góc của sóng điện áp được áp dụng. Nhưng trong tự nhiên, ESE phải tạo ra các tia tiên đạo ngay cả trong điều kiện sét có cường độ thấp (trong trường hợp của cấp độ bảo vệ I) như được giải thích ở trên. Nếu tia sét phóng xuống ở khoảng cách rất xa, đặc biệt là trong trường hợp dòng sét rất nhỏ, thì điện trường xung quanh đầu kim thu sét sẽ không đủ cao để tạo ra tia tiên đạo. Bên cạnh đó, với khoảng cách rất xa thì điện trường được tạo ra trong không khí sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với không gian trong phòng thí nghiệm. Một thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn với điện trường thấp hơn 5MV/m. Thời gian phát tia tiên đạo 60µs ngụ ý một chiều dài (∆L=V×∆t) 60m, và ở khoảng cách đó một tia sét nhỏ (2,4kA) gây ra một điện trường khoảng 5MV/m. Tuy nhiên, một kim thu sét ESE với ∆t=100µs, và với khoảng cách 100m thì điện trường xung quanh đầu kim thu sét chỉ vào khoảng 2,8MV/m, điều này không chỉ có nghĩa là không đủ điều kiện để tạo ra đường hào quang hướng lên (tối thiểu là Eonset= 3MV/m), mà còn thấp hơn nhiều so với điện trường được tạo ra trong phòng thí nghiệm. Vì những lý do trên, phiên bản cuối của tiêu chuẩn cho việc áp dụng hệ thống chống sét sử dụng thiết bị ESE phải có thời gian giới hạn được sử dụng để tính bán kính bảo vệ kim thu sét lớn nhất là 60µs, hay chính xác hơn, mô hình không chấp nhận cho mức ∆t lớn hơn 60µs. Điều này có nghĩa rằng, trong phòng thí nghiệm một thiết bị ESE có thể có ∆t lớn hơn 60µs, nhưng trong tự nhiên thì khoảng cách lớn sẽ không thể tạo ra điện trường đủ điều kiện kích hoạt thiết bị ESE phát tia tiên đạo được. Do đó, ∆t cao không thể được xem là có bán kính bảo vệ lớn được. Thiết bị ESE không chỉ phụ thuộc vào bản thân nó mà còn phụ thuộc vào tia sét đi xuống, vào năng lượng của đám mây là một trong những điều kiện để kích hoạt thiết bị ESE có thể bắt đầu hoạt động. Tất cả các nhà sản xuất thuộc thành viên của ILPA và các đại lý của họ cam kết thực hiện theo các yêu cầu của tiêu chuẩn và đồng thuận quy tắc này.

Cấp bảo vệ (D)

Phân loại của một hệ thống bảo vệ chống sét thể hiện sự hiệu quả của nó. (level I: 98%)

Các thông số đặc trưng và các hiệu ứng liên quan của sét.

Các thông số đặc trưng:

Cường độ

Thời gian tăng

Thời gian suy giảm

Sự thay đổi tỷ lệ hiện tại (di/dt)

Phân cực (âm hay dương)

Năng lượng cụ thể

Số nhánh của tia sét

Các hiệu ứng liên quan:

Hiệu ứng quang

Hiệu ứng âm thanh

Hiệu ứng điện hóa học

ảnh hưởng nhiệt

bức xạ điện từ

hiệu ứng điện năng.

Phạm vi bảo vệ

Phạm vi bảo vệ được bao trùm bởi một vòng có trục là ESE và bán kính bảo vệ được xác định dựa trên độ cao h đang được xem xét.

 

Hình 1: mối quan hệ giữa bán kính bảo vệ R và chiều cao h

 

 

Độ cao h là khoảng cách của đỉnh ESE so với mặt phẳng ngang đi qua đỉnh phần tử được bảo vệ.

Bán kính R là bán kính bảo vệ của ESE ở độ cao đang được xem xét.

Bán kính bảo vệ (Rp)

Bán kính bảo vệ của ESE có liên quan đến chiều cao của nó so với các khu vực được bảo vệ, thời gian phát tia tiên đạo ∆T và cấp độ bảo vệ được lựa chọn (xem phụ lục A – NFC 17102). Mối quan hệ được thể hiện bằng công thức sau:

 

 

với h ≥5m. (CT 1)

Trong đó:

ΔL: là độ dài (quãng đường) của tia tiên đạo.

∆L(m) = v(m/µs)×∆T(µs) (CT 2)

Giả định rằng v = vup = vdown = 1 m/µs (vận tốc trung bình đo được của tia tiên đạo- tại trang 40 và 52 của NFC 17102).

∆T: xem tại phụ lục C – NFC 17102.(thông số này do nhà sản xuất công bố trong catalogues).

D (m): là khoảng cách nổi bật hay bán kính hình cầu lăn.20m cho mức độ bảo vệ cấp I30m cho cấp độ bảo vệ II45m cho bảo vệ cấp III60m cho cấp độ bảo vệ IV Ví dụ:

 

 

D của Kim ESE                                                                   D của Kim cổ điển (SR)

 

Như vậy, chúng ta có thể dễ dàng tìm được Rp.

h	∆D	∆L	Rp
5	60	60	11375	106.6536
6	60	60	11484	107.1634
7	60	60	11591	107.6615
8	60	60	11696	108.148
9	60	60	11799	108.6232
10	60	60	11900	109.0871
11	60	60	11999	109.5399
12	60	60	12096	109.9818
13	60	60	12191	110.4129
14	60	60	12284	110.8332
15	60	60	12375	111.243
16	60	60	12464	111.6423
17	60	60	12551	112.0312
18	60	60	12636	112.41
19	60	60	12719	112.7785
20	60	60	12800	113.1371
21	60	60	12879	113.4857
22	60	60	12956	113.8244
23	60	60	13031	114.1534
24	60	60	13104	114.4727
25	60	60	13175	114.7824
26	60	60	13244	115.0826
27	60	60	13311	115.3733
28	60	60	13376	115.6547
29	60	60	13439	115.9267
30	60	60	13500	116.1895
31	60	60	13559	116.4431
32	60	60	13616	116.6876
33	60	60	13671	116.9231
34	60	60	13724	117.1495
35	60	60	13775	117.3669
36	60	60	13824	117.5755
37	60	60	13871	117.7752
38	60	60	13916	117.9661
39	60	60	13959	118.1482
40	60	60	14000	118.3216
41	60	60	14039	118.4863
42	60	60	14076	118.6423
43	60	60	14111	118.7897
44	60	60	14144	118.9285
45	60	60	14175	119.0588
46	60	60	14204	119.1805
47	60	60	14231	119.2938
48	60	60	14256	119.3985
49	60	60	14279	119.4948
50	60	60	14300	119.5826
51	60	60	14319	119.662
52	60	60	14336	119.733
53	60	60	14351	119.7957
54	60	60	14364	119.8499
55	60	60	14375	119.8958
56	60	60	14384	119.9333
57	60	60	14391	119.9625
58	60	60	14396	119.9833
59	60	60	14399	119.9958
60	60	60	14400	120
61	60	60	14399	119.9958
62	60	60	14396	119.9833
63	60	60	14391	119.9625
64	60	60	14384	119.9333
65	60	60	14375	119.8958

 

 

Tham khảo tài liệu gốc tại đây