Độ tin cậy của vùng bảo vệ của cột thu sét ESE

Nội dung text: Độ tin cậy của vùng bảo vệ của cột thu sét ESE

1. ĐỘ TIN CẬY CỦA VÙNG BẢO VỆ CỦA CỘT THU SÉT ESE RELIABILITY OF PROTECTION ZONE OF ESE LIGHTNING ROD (1)Hồ Văn Nhật Chương, (1)Phạm Đình Anh Khôi, (2)Nguyễn Trần Hoàng Vũ (1)Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh (2)Trường Cao đẳng Cộng đồng Sóc Trăng TÓM TẮT Chức năng của hệ thống chống sét trực tiếp sử dụng đầu thu sét ESE (cột thu sét ESE) là thu hút sét đánh vào nó rồi chuyển dòng điện do sét tạo ra xuống đất một cách an toàn, tạo thành một vùng an toàn tránh sét đánh trực tiếp vào các phần kết cấu khác cần được bảo vệ của công trình gọi là vùng bảo vệ của cột thu sét. Cách xác định vùng bảo vệ đã được giới thiệu trong [1,2,3]. Tuy nhiên trong [1,2,3] chưa đề cập đến độ tin cậy của vùng bảo vệ của cột thu sét ESE. Bài báo này nghiên cứu và đề xuất phương pháp tính toán độ tin cậy của vùng bảo vệ của cột thu sét ESE dựa trên cơ sở lý thuyết mô hình điện hình học và phương pháp vùng thể tích hấp thu. Từ khoá: Cột thu sét ESE, Vùng bảo vệ, Mô hình điện hình học, Vùng thể tích hấp thu ABSTRACT Function of the direct lightning protection system using ESE conductor (ESE lightning rod) is to attract lightning to strike into it, and afterwards it transfers electric current generated by lightning into the ground safely. Thence, it creates a safe area called protection zone of lightning rod to protect other structural components of the construction which need protecting from direct lightning stroke. The way to determine protection zone has been presented in [1,2,3]. But reliabilityof protection zone of ESE lightning rod has not been introduced in [1,2,3]. Based on electrogeometric model theory and collection volume method this article researches and proposes the way to calculate reliability of the protection zone of ESE lightning rod. Keywords: ESE lightning rod, Protection zone, Electro geometric model, Collection volume. I. MỞ ĐẦU Theo [1,2] vùng bảo vệ của cột thu sét ESE dễ dàng được vẽ ra trong không gian và có thể xác định được hoàn toàn.Điều kiện cơ bản nhất đối với cột thu sétlà bảo vệ công trình nằm trong vùng bảo vệ một cách an toàn khi xuất hiện sét đánh trong vùng này. Từ đó có thể nói rằng độ tin cậy của vùng bảo vệ của cột thu sét ESEchính là khả năng bảo vệ khi thực hiện chức năng thu sét trong một khoảng thời gian nhất định ở một điều kiện vận hành nhất định.
2. Do đó, cầnphải xem xét vùng bảo vệ của cột thu sét ESEvới tất cả các thông số ảnh hưởng có thể có như: chiều cao h(m) của cột thu sét, khoảng cách phóng điện D(m), độ lợi khoảng cách ΔL(m), cấu trúc công trình bảo vệ, thông số môi trường nơi công trình định vị, khả năng hình thành điện tích cảm ứng của cấu trúc công trình và mặt đất xung quanh. II. VÙNG THỂ TÍCH HẤP THU CỦA CỘT THU SÉT ESE Vùng thể tích hấp thu của cột thu sét ESEđược hiểu là vùng không gian mà nếu tiên đạo sét phát triển từ mây giông xuống nằm trong vùng này thì khả năng sét đánh vào đỉnh cột thu sét với xác suất 100%. Theo [1,2], ∆L được mô hình bởi đường tròn có tâm là đỉnh đầu thu ESE bán kính ∆L, thì tập hợp các điểm cách đường tròn nói trên (hoặc thân cột) và mặt đất một khoảng cách bằng với giá trị khoảng cách phóng điện D, tạo thành một đường parabol gọi là đường đồng khả năng. Như vậy vùng thể tích hấp thu của cột thu sét ESE là miền không gian giới hạn bởi đường đồng khả năng và bán cầu có bán kính là tổng của khoảng cách phóng điện và độ lợi khoảng cách (D + ∆L). Nếu xét trong hệ trục Oxy, thì vùng thể tích hấp thu là phần diện tích giới hạn bởi đường đồng khả năng và cung tròn có bán kính là D +∆L. Với hệ trục Oxy, vẽ đường tròn tâm O(0,h) đặt tại đỉnh đầu thu bán kính ∆L có phương trình: x2 + (y - h)2 = ∆L2 Trục Ox có phương trình : y = 0 Cho đường tròn có tâm O’(x0,y0), bán kính D thay đổi có phương trình: 2 2 2 (x - x0) + (y - y0) = D 2 2 2 Để O(0,h) tiếp xúc O’(x0,y0) thì: 0 + (y0 − h) = ∆L + D Để O’(x0,y0)tiếp xúc với Ox:y0 = D Từ những điều kiện trên ta có phương trình sau: 2 ℎ−∆L = 0 + (1) 0 2 ∆L+h 2 Tập hợp các tâm O’(x0,y0) thuộc parabol trên chính là đường đồng khả năng và chính là một phần đường bao của vùng thể tích hấp thu.Các hình 1, 2, 3 minh họa vùng
3. thể tích hấp thu của cột thu sét ESE, tương ứng với các trường hợp h ∆L. Hình 1Vùng thể tích hấp thu của ESE trong trường hợp h ∆L Trong trường hợp h>∆L, đường đồng khả năng còn bao gồm một phần của các đường thẳng y=x và y= -x. III. MÔ HÌNH HÌNH HỌC CỦA CÁC VÙNG THÀNH PHẦN TRONG KHÔNG GIAN CỦA CỘT THU SÉT ESE Tuy nhiên, nếu chỉ dựa vào vùng thể tích hấp thu trong không gian của cột thu sét ESEthì không thể xác định được phân vùng nguy hiểm bên trong vùng bảo vệ. Do đó,
4. dựa trên nguyên lý thiết lập vùng thể tích hấp thu, mô hình hình học được phân ra bao gồm các vùng phóng điện vào đỉnh cột, vùng phóng điện xuống đất được ngăn cách bởi đường đồng khả năng và đặc biệt là vùng phóng điện vào thân cột trong trường hợpcao độ ESE lớn hơn ∆Lkhi xem xét chuẩn cấu trúc giữa mặt đất, thân cột, đỉnh cột là đồng nhất. Theo [1,2] nếu h> ∆L và khoảng cách phóng điện D nhỏ hơn giá trị tới hạn Dmin, sẽ tồn tại vùng sét phóng vào thân cột; do đó nếu có công trình nằm trong vùng này sẽ bị sét đánh trong trường hợp biên độ dòng sét bé, tương ứng với mức bảo vệ cao của cột thu sét ESE. Với Dminđược tính theo công thức: 𝑖푛 = ℎ + ΔL − 2∆퐿(ℎ + ∆퐿) (2) Như vậy, để xác định độ tin cậy đối với cột thu sét ESE, chúng ta cần phải xác định xác suất hình thành vùng nguy hiểm và xác suất diễn ra sự phóng điện sét vào vùng này. Hình 4 Vùng phóng điện trong trường hợp h < Δ L Hình 5Vùng phóng điện trong trường hợp h = Δ L
5. Hình 6 Vùng phóng điện trong trường hợp h >Δ L IV. XÁC SUẤT HÌNH THÀNH VÙNG NGUY HIỂM TRONG VÙNG BẢO VỆ CỦA CỘT THU SÉT ESE Vùng nguy hiểm tồn tại khi D<Dmin, tức là khi biên độ của dòng sét xuất hiện bé hơn giá trị tới hạn Imin. Như vậy, xác suất hình thành vùng nguy hiểm trong vùng bảo vệ của cột thu sét ESE là P(Imin); theo [4,5]I(kA) được xác định gần đúng theo mối quan hệ giữa khoảng cách phóng điện với biên độ dòng sét như sau: D = 10×I0.65 (3) Đối với Việt Nam, theo [6] biên độ dòng điện của một tia sét thường nằm trong khoảng từ 2 kA đến 200 kA. Theo thống kê giá trị P(I) tại Việt Nam như sau: 1% các tia sét đánh vượt quá 200kA 10% các tia sét đánh vượt quá 80kA 50% các tia sét đánh vượt quá 28kA 90% các tia sét đánh vượt quá 8kA 99% các tia sét đánh vượt quá 3kA V. XÁC ĐỊNH XÁC SUẤT SÉT ĐÁNH VÀO VÙNG NGUY HIỂM 1. Khu vực có xác suất 100% sét đánh vào đỉnh kim thu sét Theo nguyên lý thống kê (mô hình A. KOPIAN), tương tự đối với kim thu sét Franklin có cao độ h.Một cách đơn giản, ta có thể xem đầu thu sét ESE gồm nhiều đỉnh kim Franklin được nối dài thêm một khoảng bằng với ∆L xuất hiện ở các điểm trên đường tròn có tâm là đỉnh đầu thu sét ESE. Gọi hESE là khoảng cách tính từ mặt đất đến đỉnh đường tròn bán kính ∆L. Nếu tiên đạo sét xuất hiện ở độ cao định hướng cách đỉnh đầu thu khoảng cách nhỏ hơn 3.5hESEthì xác suất sét đánh vào đỉnh đầu thu sẽ là
6. 100%, nếu lớn hơn 5hESE thì xác suất sét sẽ là 0% và nếu xuất hiện trong khoảng giữa từ 3.5hESE đến 5hESE thì sét có sẽ khả năng đánh vào đỉnh đầu thu hoặc mặt đất. Hình 7Các khả năng phóng điện tương ứng với đầu thu ESE 2. Xác định xác suất sét đánh vào một vùng cho trước Khi đã giới hạn vùng sét có khả năng ảnh hưởng đến thu lôi, ta sẽ tính toán được xác suất sét đánh vào một vùng cho trước nào đó với giả thiết mật độ điện dẫn của môi trường khảo sát là như nhau. Giả sử xét vùng có xác suất sét đánh vào ESE bé hơn 100%. Để khảo sát ta cần chia ra thành các phân vùng có bề rộng giống nhau theo chiều hướng tâm. Có thể giả thuyết rằng, nếu tiên đạo sét xuất hiện ở độ cao định hướng trong một phân vùng nào đó thì xem như quá trình phóng điện sét cũng chỉ có thể phát triển và kết thúc trong phân vùng đó. Hình 8Hình ảnh các phân vùng với xác suất phóng điện sét đã tuyến tính hóatương ứng
7. Gọi giá trị Pi(i = 1÷n) là xác suất sét đánh vào ESE nếu đầu tia tiên đạo sét xuất hiện ởbiên giới của các phân vùng. Như vậy, đối với mỗi phân vùng thứ i, xác suất để đầu tia tiên đạo sét định hướng xuống ESE là giá trị trung bình cộng của xác suất 2 biên (Pi-1và Pi). Theo quy luật đã tuyến tính hóa, nếu gọi Ri và ri tương ứng là khoảng cách tính từ đỉnh đầu thu đến biên ngoài và biên trong của phân vùng thứ i, thì ở độ cao định hướng H ta dễ dàng xác định được xác suất để sét không đánh xuống ESE mà tiếp diễn quá trình phóng điện trong phân vùng đó sẽ là: 푃𝑖−1+푃𝑖 푅𝑖− 𝑖 푃 = 1 − = 1 − (4) 2 7ℎ 푆 Theo [6], xác suất của một vùng bị sét đánh trong bất kì một năm nào đó là tích của mật độ sét phóng xuống đất và diện tích thu sét hữu dụng của vùng đó. Xem xét vùng diện tích mặt chiếu bằng của khu vực khảo sát (hình tròn bán kính 5hESE) được chia thành các phân vùng, diện tích thu sét hữu dụng được tính như sau: 2 2 2 Ac = πR = 25πhESE (m ) (5) 2 Cũng từ [6], nếu khu vực này nếu có mật độ sét là Ng (lần/km .năm) thì sẽ có tổng số các lần sét đánhNd được tính như sau: -6 2 -6 Nd = Ac × Ng × 10 = Ng.25πhESE .10 (lần/năm) (6) Tổng số các lần sét xuất hiện ở phân vùng thứ i sẽ là: (𝑖) 2 2 −6 푛 = 𝑔 . π. 푅𝑖 − 𝑖 . 10 (lần/năm) (7) Theo lý thuyết, xác suất các lần sét xuất hiện trong phân vùng thứ i là: (𝑖) 2 2 푛 푅𝑖 − 𝑖 푃𝑖 = = 2 (8) 25ℎ 푆 Như vậy, xác suất để sét xuất hiện và tiếp diễn trong vùng i: 2 2 푅𝑖− 𝑖 푅𝑖 − 𝑖 푃0 = 푃𝑖 × 푃 = 1 − . 2 (9) 7ℎ 푆 25ℎ 푆 Như vậy, để xác định xác suất sét đánh vào vùng nguy hiểm cho trước, ta đơn giản chỉ chia vùngcó xác suất sét đánh vào ESE bé hơn 100%ra thành các phânvùng như nhau sao cho một trong chúng phải chứa hết vùng nguy hiểm.
8. Hình 9Minh họa vùng nguy hiểm khi chưa xét đến công trình Hình 10Minh họa phân vùng phóng điện sét khi có xét đến công trình Khảo sát cụ thể cho phân vùng mà tiên đạo sét xuất hiện và tiếp diễn để phóng vào vùng bảo vệ Từ hình 10, ta sẽ có 푅 푅 − = 𝑖 𝑖 5ℎ 푆 1,5ℎ 푆 Với 𝑖 = 3,5ℎ 푆 3푅 푅 = + 3,5ℎ (10) 𝑖 10 푆 Từ đó, nhận được: 2 ∗ 3푅 9푅 +210ℎ 푆 푅 푃0 = 1 − . (11) 70ℎ 푆 2500ℎ 푆 Trong đó Rp là bán kính bảo vệ đáy của đầu thu ESE có độ cao h
9. VI. CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH ĐỘ TIN CẬY CHO VÙNG BẢO VỆ CỦA ĐẦU THU ESE 1. Trường hợp chưa xét đến công trình, chỉ xét ảnh hưởng của cột thu sét ESE Như đã trình bày, trong trường hợp độ cao h của ESE lớn hơn độ lợi khoảng cách ∆L, vùng bảo vệ sẽ không có độ tin cậy 100%. Khi đó, nếu gọi: Xác suất để hình thành vùng nguy hiểm bên trong vùng bảo vệ là P(Imin). Xác suất diễn ra sự phóng điện vào vùng nguy hiểm là Po, được xác định theo công thức (8). Từ đó ta có thể tính đượcxác suất tổng cộng để xảy ra khả năng phóng điện vào vùng nguy hiểm là: PΣ = P0 × P(Imin) (12) Hay nói cách khác, vùng bảo vệ chính của đầu thu ESE sẽ có độ tin cậy là: P = 1- PΣ (13) 2. Trường hợp xét đến cả tổng thể công trình lẫn hệ thống bảo vệ chống sét Thực tế là có cả công trình được bảo vệ sẽ nằm ở dưới vùng bảo vệ của ESE, nên trong trường hợp này, với vùng bảo vệ đã xác định, thì nếu dòng sét có biên độ là I(kA). Khi đó, xem xét tương tự, ta cũng sẽ có xác suất tổng cộng để xảy ra khả năng phóng điện vào vùng bảo vệ là: ∗ ∗ 푃Σ = 푃0 × 푃( ) (14) Hay vùng bảo vệ chính của đầu thu ESE sẽ có độ tin cậy là ∗ ∗ 푃 = 1 − 푃Σ (15) ∗ Trong đó, xác suất diễn ra sự phóng điện vào vùng nguy hiểm 푃표 , được xác định theo công thức (10) Như vậy, nếu h ∆L, độ tin cậy của vùng bảo vệ sẽ là: ∗ (1 − 푃Σ ). (1 − 푃Σ ) (16) VII. KẾT LUẬN Có thể nói phương pháp tính toán độ tin cậy về mặt lý thuyết, dựa trên mô hình
10. điện hình học và lý thuyết thể tích hấp thu cho vùng bảo vệ của cột thu sét sử dụng đầu thu ESE nhằm xác định hiệu quả vận hành trong thực tế của các loại đầu thu sét ESE. Theo lý thuyết vùng thể tích hấp thu, các cạnh của diện tích thu sét của công trình ở mỗi độ cao sẽ có một bán kính cạnh tranh (Rct) biểu thị mức độ thu hút sét của chính công trình. Tuy nhiên chúng ta chưa thiết lập được sự phụ thuộc của Rct vào vật liệu của cấu trúc, hình dạng của cấu trúc công trình , do đó ở mức độ cho phép phương pháp tính toán độ tin cậy lý thuyết này có thể được áp dụng để tính toán trong thực tế một khi có dạng và cấu trúc của công trình cụ thể. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hồ Văn Nhật Chương, Nguyễn Trần Hoàng Vũ, Vùng bảo vệ của cột thu sét ESE. [2]. Hồ Văn Nhật Chương, Phạm Đình Anh Khôi, Ứng dụng mô hình điện hình học khảo sát phạm vi bảo vệ của các loại đầu thu sét phát xạ sớm (ESE), Kỷ yếu hội nghị KhoaHọc – Công Nghệ lần thứ 8, Trường Đại Học Bách Khoa Tp. HCM, 2002. [3]. Tiêu chuẩn NF C 17-102, Pháp, 2011. [4]. Designing to the IEC 62305 Series of Lightning Protection Standards, ERITECH® Lightning Protection Handbook, Erico®, 2009. [5]. Nor Zaihar Yahaya, Mohd Akhmal Daud, Study of Lightning Safety Distance Using Rolling Sphere Method, Published by Energy and Power Engineering, 2013 [6].TCXDVN 9385:2012, Bộ Xây dựng, 20012. Thông tin liên hệ: Họ tên: Nguyễn Trần Hoàng Vũ Đơn vị: Trường Cao đẳng Cộng đồng Sóc Trăng Điện thoại: 0977547476 Email: nthvu@stcc.edu.vn
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.