Phòng cháy do sét đánh sử dụng loại thiết bị thu sét tạo tia tiên đạo

Phòng cháy do sét đánh và những vấn đề thực tế hiện nay

Sét đánh theo quy luật xác suất và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Do vậy, việc xác định chính xác khu vực hướng đánh của sét là rất khó khăn và không thể đảm bảo xác suất 100% hướng của sét đến thu lôi chống sét. Phòng cháy do sét đánh vì vậy mà cũng gặp nhiều khó khăn.

Phòng cháy do sét đánh

Để phòng cháy do sét đánh trực tiếp từ năm 1750 Benjamin Franklin đã phát minh ra cột thu lôi hầu hết các biện pháp chống sét đều dựa trên việc sử dụng cọc nhọn hoặc sử dụng các dây dẫn nằm ngang (lồng Faraday) hoặc phối hợp cả hai phương pháp. Việc tính toán chống sét dựa trên lí thuyết là “khu vực bảo vệ hình nón” và “quả cầu lăn” đã được áp dụng trên 250 năm. Nhiều công trình đã được bảo vệ an toàn với các hệ thống đó.

Tuy nhiên, thực tế cho thấy các phương pháp phòng cháy do sét đánh cũ không thật tin cậy, những năm gần đây nhiều quan sát cho thấy còn xảy ra sự cố do sét đánh ở những công trình đã được chống sét đầy đủ theo quy phạm, nhất là các công trình tòa nhà cao tầng, các công trình điện, bưu chính viễn thông v.v…

Nhiều nhà khoa học trên thế giới đã giành nhiều công sức nghiên cứu, cải tiến, phát minh ra các thiết bị phòng cháy do sét đánh mới với mong muốn chúng tăng tính hiệu quả bảo vệ chống sét cho công trình.

Hiện nay có rất nhiều thiết bị chống sét trực tiếp đã được phát minh, song nổi bật hơn cả có hai loại đang được sử dụng nhiều ở các nước tiên tiến như Mỹ, Úc, Pháp, Hàn Quốc, Trung Quốc, Singapo… đó là loại đầu thu sét kiểu phát xạ sớm và giàn tiêu tán ion.

Hai loại thiết bị phòng cháy do sét đánh này gần như có ý tưởng trái ngược nhau. Một loại có kết cấu tăng khả năng phát dòng điện tiên đạo sớm nhằm thu hút cú sét đánh vào đầu thu, mục đích định hướng thu sét có hiệu quả hơn. Loại tiêu tán ion lại có mục đích tạo ra nguồn ion để có thể trung hòa với các điện tích đám mây với hy vọng giảm khả năng cú sét đánh vào công trình cần bảo vệ. Thực tế các thiết bị mới hiện nay đang có nhiều ý kiến không đồng ý và nghi ngờ cần tham khảo để có kết luận rõ ràng.

Mới đây các nhà khoa học và các chuyên gia về sét còn khuyến cáo một số ngành nhạy cảm như hàng không, điện lực, bưu chính viễn thông nên sử dụng hệ thống dự báo sét để kịp thời ứng phó.

Trong khi chưa khẳng định được tính ưu việt hơn hẳn của các thiết bị mới thì việc nghiên cứu tính toán kết cấu và phạm vi bảo vệ là hết sức cần thiết.

Các hệ thống phòng cháy do sét đánh tại Việt Nam và trên thế giới hiện nay

Hệ thống chống sét tại Việt Nam và trên thế giới hiện nay bao gồm có 2 loại:

– Loại theo tập quán kinh điển, đó là dạng đầu thu của cột thu lôi thông thường đặt cơ sở trên những phát minh của Flanklin.

– Loại không theo tập quán hay loại được tăng cường. Loại được tăng, đó là những đầu thu tạo tia tiên đạo, bản thân những đầu thu này sẽ làm phát xạ các dải sớm hơn hoặc còn gọi là ESE (Early Streamer Emission).

Thiết bị chống sét hiện nay

Đầu thu phòng cháy do sét đánh tạo tia tiên đạo

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động phòng cháy do sét đánh

+ Cấu tạo: Một đầu thu sét tạo tia tiên đạo gồm một kim thu sét trung tâm có đầu nối với dây dẫn sét, một thiết bị ion hóa tạo tia tiên đạo.

Ví dụ  giới thiệu cấu tạo của đầu thu sét tạo tia tiên đạo của một số hãng sản suất trên thế giới.

 Các đầu thu sét tạo tia tiên đạo trên thế giới

+Nguyên tắc hoạt động:

  1. Khi giông bão xảy ra, điện trường khí quyển gia tăng nhanh chóng.
  2. Đầu thu sét sẽ thu năng lượng điện trường khí quyển bằng hệ thống điện cực phía dưới.
  3. Năng lượng này được tích lũy trong thiết bị ion hóa.
  4. Thiết bị ion hóa giải phóng năng lượng đã tích lũy dưới dạng các ion.
  5. Tạo ra một đường dẫn tiên đạo về phía trên, chủ động dẫn sét đánh vào kim thu sét.

Độ lợi về thời gian tạo đường dẫn sét

Một đầu thu sét tạo tia tiên đạo được đặc trưng bằng độ lợi về thời gian tạo ra đường dẫn sét chủ động của nó ∆T. Đại lượng này được xác định khi so sánh thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của một đầu thu sét tạo tia tiên đạo và một kim thu sét thông thường ở trong cùng một điều kiện sét. Giá trị độ lợi này được dùng để tính bán kính bảo vệ của đầu thu sét.

Độ lợi thời gian được xác định theo biểu thức:

                           ∆T = Ttt – T                                                                                          (3.11)

Trong đó:

∆T: độ lợi về thời gian, μs ;

Ttt: thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của một kim thu sét thông thường, μs ;

T: thời gian tạo ra đường dẫn sét về phía trên của một đầu thu sét loại tạo tia tiên đạo, μs.

Tính toán hệ thống bảo vệ phòng cháy do sét đánh

Quá trình lựa chọn điểm gắn kim thu sét

Phân tích điểm sét:

Hiện tượng sét bắt đầu bằng sự hình thành một kênh dẫn về phía dưới xuất phát từ đám mây mang điện tích, đồng thời từ các cấu trúc trên bề mặt đất cũng xuất hiện một kênh về phía trên và dòng sét sẽ truyền qua kênh dẫn này khi chúng tiếp xúc với kênh dẫn (về phía dưới) của đám mây. Điểm nào trên công trình tiếp xúc có kênh dẫn (về phía trên) tiếp xúc đầu tiên với kênh dẫn của đám mây sẽ là điểm phóng điện của sét- hay gọi là điểm “Sét”. Mô hình phân tích điểm sét.

 Mô hình phân tích điểm sét

Tốc độ hình thành kênh dẫn sét

Tốc độ hình thành kênh dẫn về phía trên (của cấu trúc trên mặt đất) và về phía dưới (của đám mây) tương đương nhau. Tức là:

                       VT/VD ≈ 1

                       V = VT = VD = 1 m/μs

Trong đó:

VT: tốc độ hình thành kênh dẫn về phía trên, m/μs

VD: tốc độ hình thành kênh dẫn về phía dưới, m/μs

V: tốc độ hình thành kênh dẫn trung bình, m/μs

Độ dài kênh dẫn sét:

Độ dài kênh dẫn sét được xác định theo biểu thức sau:

                       ∆L = V.∆T                                                                                           (3.12)

Trong đó:

∆L: độ dài kênh dẫn sét, m

V: tốc độ hình thành kênh dẫn trung bình, m/μs

∆T: độ lợi thời gian,μs

Tính toán vùng bảo vệ chống sét cho công trình

Xác định cấp bảo vệ chống sét của công trình

Tùy theo đặc điểm của từng công trình cụ thể mà có thể lựa chọn cấp bảo vệ thích hợp cho công trình.

Tùy theo tỷ số giữa xác suất sét đánh cho phép Nc và xác suất sét đánh vào công trình trong 1 năm Nd mà ta xác định được cấp bảo vệ chống sét phù hợp cho công trình. Cụ thể là:

– Nếu Nd ≤ Nc công trình có thể không cần có hệ thống chống sét;

– Nếu Nd > Nc, công trình phải có hệ thống chống sét, hệ thống chống sét có hệ số E được xác định theo biểu thức sau:

Từ hệ số E, tra bảng 3.2 ta xác định được cấp bảo vệ chống sét của công trình.

Xác định Nc, Nd:

                    Nd  = Ng max.Ac.C1.10-6                                                                                  (3.14)

        

                C = C2.C3.C4.C5                                                                                                       (3.16)

Trong đó:

Ng: mật độ sét phóng xuống đất- là số lần sét phóng xuống mặt đất trên 1km2 trong một năm;

Ac: diện tích thu sét hữu dụng, m2;

Đối với một công trình có cấu trúc hình hộp chữ nhật có chiều dài L, chiều rộng W và chiều cao H. Ac được xác định theo biểu thức sau:

                  Ac = LW + 6H(L+W) +9πH2                                                                      (3.17)

C1: hệ số phụ thuộc vào vị trí địa lí, tra bảng 3.6;

C2: hệ số phụ thuộc vào cấu trúc công trình, tra bảng 3.3;

C3: hệ số phụ thuộc vật liệu chứa trong công trình, tra bảng 3.4;

C4: hệ số phụ thuộc công năng của công trình, tra bảng 3.4;

C5: hệ số phụ thuộc vào tác hại của sét, tra bảng 3.5;

Bán kính bảo vệ của đầu thu sét (h≥ 5m)

Bán kính bảo vệ của đầu thu sét Rp được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

Rp: bán kính bảo vệ của đầu thu sét, m;

h: độ cao của đầu thu sét so với mặt bằng đặt đầu thu sét, m;

D: bán kính trái cầu lăn (hay khoảng cách phóng điện sét), m.

Khoảng cách phóng điện sét phụ thuộc cấp bảo vệ chống sét cho công trình. Cụ thể:

D = 20m đối với cấp bảo vệ là cấp 1;

D = 45m đối với cấp bảo vệ là cấp 2;

D = 60m đối với cấp bảo vệ là cấp 3.