Tính Bán Kính Bảo Vệ Của Kim Thu Sét: Công Thức, Tiêu Chuẩn Và Ví Dụ Thực Tế

Tính Bán Kính Bảo Vệ Của Kim Thu Sét: Công Thức, Tiêu Chuẩn Và Ví Dụ Thực Tế

Sét là một hiện tượng thiên nhiên hùng vĩ nhưng cũng vô cùng nguy hiểm, có khả năng gây ra những thiệt hại nặng nề về người và tài sản. Để bảo vệ các công trình xây dựng, từ nhà ở dân dụng đến các tòa nhà cao tầng và khu công nghiệp, hệ thống chống sét là một yêu cầu bắt buộc. Trái tim của hệ thống này chính là kim thu sét, và hiệu quả của nó được đo lường bằng một thông số quan trọng: bán kính bảo vệ.

Việc tính toán bán kính bảo vệ kim thu sét một cách chính xác không chỉ là một bài toán kỹ thuật mà còn là yếu tố quyết định sự an toàn của toàn bộ công trình. Bài viết này sẽ đi sâu vào các công thức tính bán kính bảo vệ kim thu sét, các tiêu chuẩn áp dụng, những yếu tố ảnh hưởng và cung cấp ví dụ thực tế để bạn có thể hiểu rõ cách tính bán kính bảo vệ của kim thu sét.

1. Các Tiêu Chuẩn Và Phương Pháp Tính Toán Phổ Biến

Hiện nay, việc tính bán kính bảo vệ của kim thu sét chủ yếu dựa trên hai loại công nghệ kim thu sét với các tiêu chuẩn đi kèm:

• Kim thu sét cổ điển (Franklin): Dựa trên tiêu chuẩn quốc tế IEC 62305.
• Kim thu sét phát xạ sớm (ESE – Early Streamer Emission): Còn gọi là kim thu sét tia tiên đạo, dựa trên tiêu chuẩn NFC 17-102 của Pháp, là tiêu chuẩn phổ biến và được công nhận rộng rãi nhất cho loại kim này.

2. Cách Tính Bán Kính Bảo Vệ Kim Thu Sét Cổ Điển (Franklin)

Theo phương pháp quả cầu lăn:

Trong đó:

• Rp​: Bán kính bảo vệ tại mặt phẳng đang xét (m).
• h: Chiều cao của đầu kim thu sét so với mặt phẳng cần bảo vệ (m).
• D: Bán kính quả cầu lăn (m), được xác định bởi cấp độ bảo vệ (Protection Level).

Bảng tra bán kính quả cầu lăn (D) theo Tiêu chuẩn IEC 62305:

• Cấp I: 20 m
• Cấp II: 30 m
• Cấp III: 45 m
• Cấp IV: 60 m

Bảng cho bán kính kim cổ điển (IEC 62305)

Cấp bảo vệ	R (m) h = 5m	R (m) h = 10m	R (m  h = 20m
I	11	19	28
II	14	23	35
III	18	28	42
IV	20	32	48

 

3. Công Thức Tính Bán Kính Bảo Vệ Kim Thu Sét ESE (Tia Tiên Đạo)

Trong đó:

• Rp​: Bán kính bảo vệ tại mặt phẳng cần bảo vệ (m).
• h: Chiều cao của đầu kim ESE so với mặt phẳng cần bảo vệ (m).
• r: Bán kính quả cầu lăn (m)
  • Cấp I: 20 m
  • Cấp II: 30 m
  • Cấp III: 45 m
  • Cấp IV: 60 m
• Δ: Quãng đường phóng điện sớm của tia tiên đạo (m). Đây là thông số đặc trưng của kim ESE, thể hiện khả năng mở rộng vùng bảo vệ. Nó được tính bằng công thức: Δ=v⋅ΔT = 10⁶*ΔT
• Trong thực tế, vận tốc lan truyền của tia tiên đạo (v) được quy ước là 10⁶ m/s. Do đó, giá trị Δ (tính bằng mét) sẽ bằng với giá trị ΔT (tính bằng micro giây – µs).
• ΔT: Thời gian phát xạ sớm (µs). Đây là thông số kỹ thuật quan trọng nhất của một kim ESE, do nhà sản xuất cung cấp và được kiểm định trong phòng thí nghiệm. Các giá trị ΔT phổ biến là 15µs, 30µs, 40µs, 50µs, và 60µs. ΔT càng lớn, bán kính bảo vệ tối đa của kim thu sét càng rộng. nhưng Hiểu quả tối ưu theo tiêu chuẩn NFC 17-102 l�ΔT cao nhất 60µs.

Ví Dụ :

Tính theo bảo vệ cấp IV tại độ cao 5m, với bán kính bảo vệ kim là Rp và giá trị tối đa của tiêu chuẩn NFC cho phép là: ∆t=60µs = 60×10^-6 s.

Ta có kết quả sau: Rp (IV, 5m) = √ 2*60*5 – 5² +10⁶*60×10^-6*(2*60+10⁶*60×10^-6)

Rp (IV, 5m) ≈ 106,653 (m)

Hoặc bảng tra bán kính bảo vệ kim thu sét :

4. Các yếu tố ảnh hưởng đến bán kính bảo vệ của kim thu sét

Từ các công thức trên, ta có thể thấy các yếu tố chính quyết định đến phạm vi bảo vệ của kim thu sét:

• Cấp độ bảo vệ yêu cầu (Protection Level): Yếu tố quyết định bán kính quả cầu lăn D. Công trình càng quan trọng, rủi ro cháy nổ càng cao thì cấp độ bảo vệ yêu cầu càng cao (ví dụ Cấp I hoặc II, III, IV), dẫn đến giá trị D nhỏ hơn và Rp​ cũng nhỏ hơn.
• Chiều cao lắp đặt kim (h): Đây là chiều cao tính từ đầu kim đến mặt phẳng cần bảo vệ (thường là mái nhà). Chiều cao h càng lớn, bán kính bảo vệ Rp​ càng rộng. Đây là lý do các kim thu sét thường được lắp trên một trụ đỡ cao.
• Loại kim thu sét (Đặc biệt là thông số ΔT đối với kim ESE): Đây là yếu tố khác biệt lớn nhất. Một kim thu sét ESE với ΔT=60µs sẽ cho bán kính bảo vệ kim thu sét ESE lớn hơn rất nhiều so với kim cổ điển hoặc kim ESE có ΔT=30µs ở cùng một độ cao và cấp bảo vệ.

5. Ví Dụ Thực Tế: Cách Xác Định Bán Kính Bảo Vệ Kim Thu Sét Cho Nhà Ở

Hãy thực hiện một bài toán tính toán bán kính bảo vệ kim thu sét cho một công trình cụ thể.

Bài toán: Bảo vệ một ngôi nhà 3 tầng có mái bằng. Chiều cao của tòa nhà là 12m. Yêu cầu bảo vệ ở Cấp III. Ta dự định lắp một kim thu sét ESE có ΔT=50µs trên một trụ đỡ cao 5m đặt giữa mái nhà.

Phân tích và tính toán:

1. Xác định các thông số:
   • Mặt phẳng cần bảo vệ: Mái nhà ở độ cao 12m.
   • Chiều cao kim thu sét (h): Đây là chiều cao từ đầu kim đến mái nhà, chính là chiều cao của trụ đỡ. Vậy h=5m.
   • Cấp độ bảo vệ: Cấp III (Level III) ⟹ Bán kính quả cầu lăn r=45m.
   • Thông số kim ESE: ΔT= 50µs = 50×10^-6 s.
2. Áp dụng công thức tính bán kính bảo vệ kim thu sét tia tiên đạo:

3. Thay số:

Rp (III, 5m) = √ 2*45*5 – 5² +10⁶*50×10^-6*(2*45+10⁶*50×10^-6)

Rp (III, 5m) = 86,168 mét

Kết luận: Với kim thu sét ESE và cách lắp đặt như trên, bán kính bảo vệ tại mặt phẳng mái nhà là khoảng 86.168 mét. Nếu ngôi nhà có chiều rộng và chiều dài nhỏ hơn bán kính bảo vệ là 86,168 mét, thì chỉ một kim thu sét duy nhất là đủ để bảo vệ toàn bộ công trình.

Việc tính bán kính bảo vệ của kim thu sét đúng chuẩn giúp đảm bảo an toàn cho công trình trước nguy cơ sét đánh. Bạn có thể dựa vào công thức tính bán kính bảo vệ kim thu sét, bảng tra hoặc phần mềm chuyên dụng để đưa ra thiết kế hợp lý.

Nếu không am hiểu kỹ thuật, hãy nhờ đơn vị chuyên lắp đặt chống sét để họ tính toán chính xác, lựa chọn kim thu sét phù hợp, và đảm bảo bán kính bảo vệ tối đa của kim thu sét bao trùm toàn bộ công trình.