Luận văn Thạc sĩ Toán: nghiên cứu phương pháp tính toán rủi ro do sét gây

Nghiên cứu chuyên sâu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp tính toán rủi ro do sét gây ra đối với t, phương pháp luận hiện đại, kết quả ứng dụng

• Tác giả: Đinh Bảo Hà
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Duy Phong
• Trường học: Trường Đại học Điện lực
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp tính toán rủi ro do sét gây ra đối với trạm viễn thông
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái Niệm Về Rủi Ro Do Sét Gây

Rủi ro do sét gây là nguy hiểm tiềm ẩn gây ra bởi các tia sét tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến các công trình, thiết bị và con người. Trong lĩnh vực kỹ thuật, việc tính toán rủi ro sét có vai trò quan trọng để đảm bảo an toàn cho các công trình xây dựng, nhà máy điện, hệ thống viễn thông và các thiết bị điện tử. Luận văn thạc sĩ về phương pháp tính toán rủi ro sét cung cấp nền tảng lý thuyết và ứng dụng thực tiễn để đánh giá mức độ nguy hiểm và đề xuất giải pháp phòng chống hiệu quả.

1.1. Định Nghĩa Rủi Ro Sét

Rủi ro sét được định nghĩa là xác suất xảy ra thiệt hại hoặc tổn thất do tia sét trong một khoảng thời gian nhất định. Đại lượng này kết hợp giữa tần suất xảy ra tia sét và mức độ ảnh hưởng tiềm tàng của chúng đến đối tượng bảo vệ.

1.2. Tầm Quan Trọng Trong Ngành Kỹ Thuật

Tính toán rủi ro sét giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống chống sét phù hợp, giảm thiểu thiệt hại kinh tế và bảo vệ tính mạng con người. Nó là cơ sở để tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 62305.

II. Các Phương Pháp Tính Toán Rủi Ro Sét

Tính toán rủi ro sét dựa trên nhiều phương pháp khác nhau từ phương pháp thống kê truyền thống đến các mô hình tính toán hiện đại. Các phương pháp này bao gồm phân tích tần suất sét, đánh giá tính dễ bị tổn thương của công trình, và tính toán mức độ mất mát tiềm tàng. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các loại công trình và điều kiện địa lý khác nhau.

2.1. Phương Pháp Thống Kê Truyền Thống

Dựa trên dữ liệu lịch sử về tần suất sét trong khu vực, phương pháp này sử dụng các bản đồ mật độ sét và tần suất tia sét trên mặt đất để ước tính xác suất xảy ra tia sét.

2.2. Phương Pháp Mô Hình Rủi Ro Xác Suất

Phương pháp này kết hợp xác suất xảy ra sét với xác suất gây ra thiệt hại, tính đến các yếu tố bảo vệ và giảm thiểu rủi ro hiện có của công trình.

III. Các Thành Phần Chính Trong Mô Hình Tính Toán

Mô hình tính toán rủi ro sét bao gồm nhiều thành phần quan trọng như tần suất lây sét, hệ số tính dễ bị tổn thương, hệ số giảm thiểu rủi ro, và giá trị tổn thất tiềm tàng. Việc xác định chính xác từng thành phần là chìa khóa để có kết quả tính toán đáng tin cậy. Luận văn thạc sĩ sẽ chi tiết phân tích vai trò của từng thành phần trong quá trình đánh giá toàn diện rủi ro sét.

3.1. Tần Suất Lây Sét

Tần suất lây sét được tính dựa trên mật độ sét trong khu vực, diện tích thu hút sét và đặc điểm hình học của công trình, được biểu thị bằng số tia sét trên mét vuông mỗi năm.

3.2. Hệ Số Dễ Bị Tổn Thương Và Giảm Thiểu

Hệ số này phản ánh khả năng chống sét của công trình, bao gồm tính chất vật liệu, hệ thống tiếp đất, và các biện pháp bảo vệ sẵn có, dao động từ 0 đến 1.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Kết Luận

Phương pháp tính toán rủi ro sét được áp dụng rộng rãi trong thiết kế bảo vệ các công trình quan trọng như trạm biến áp, tháp truyền hình, bệnh viện, và các tòa nhà chọc trời. Kết quả tính toán giúp xác định mức độ bảo vệ cần thiết và chọn giải pháp phòng chống sét phù hợp. Luận văn thạc sĩ cung cấp hướng dẫn toàn diện để các chuyên gia áp dụng trong thực tiễn.

4.1. Ứng Dụng Cho Các Công Trình Quan Trọng

Các công trình như nhà máy điện, trạm truyền thông, và bệnh viện yêu cầu tính toán rủi ro sét chi tiết để đảm bảo hoạt động liên tục và bảo vệ thiết bị đắt giá.

4.2. Xu Hướng Phát Triển Tương Lai

Với sự phát triển công nghệ, các phương pháp tính toán rủi ro sét ngày càng chính xác hơn, kết hợp với dữ liệu vệ tinh và mô phỏng máy tính để cải thiện độ tin cậy của đánh giá.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU VỀ SÉT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SÉT GÂY RA ĐỐI VỚI CÁC TRẠM VIỄN THÔNG 1. Nghiên cứu về giông sét 1. Các đặc điểm cơ bản của sét Sự hình thành của sét: Những giọt nước và hạt băng bên trong một đám mây mang theo các điện tích điện. Một số trong số này là điện tích dương và một số khác là điện tích âm.

Sét thường xảy ra khi có quá nhiều điện tích âm tích tụ trong một đám mây. Để cân bằng những điện tích âm này, các điện tích dương hình thành dưới đám mây trên mặt đất. Vì các điện tích trái dấu hút nhau, các điện tích âm trong đám mây muốn kết hợp với các điện tích dương trên mặt đất. Việc các điện tích kết hợp với nhau khó khăn vì điện không di chuyển dễ dàng qua không khí.

Tuy nhiên, khi đám mây phát triển, sức mạnh của các điện tích cũng tăng lên. Cuối cùng, các điện tích vượt quá khả năng chịu đựng của không khí và đám mây phát ra một dòng điện âm mạnh mẽ. Khi dòng điện âm di chuyển xuống mặt đất, một dòng điện dương nhảy từ mặt đất để gặp gỡ nó. Khi các dòng điện kết hợp, một tia sáng chói lọi ra phía trên trở lại đám mây.

Đó là một tia sét. Quá trình này lặp lại cho đến khi tất cả các điện tích âm trong đám mây đã được sử dụng.1: Sự hình thành của sét 1 Giá trị điện tích: Trong quá trình sét, điện tích mang dao động trong phạm vi từ 0,1 đến vài chục C. Sét đánh xuống các vùng khác nhau sẽ đưa xuống đất các lượng điện tích khác nhau. Sét đánh xuống vùng đồng bằng đưa xuống đất một lượng điện tích trong khoảng (10 ÷ 50) C (trung bình 25 C), trong khi sét đánh xuống vùng núi đưa đi một lượng điện tích trong khoảng (30 ÷ 100) C (trung bình 60 C), còn khi sét đánh xuống các tháp anten đưa đi một lượng điện tích đến 160 C.

Điện tích âm đưa xuống đất chiếm (85 ÷ 95)% trong đa số các trường hợp khi sét đánh xuống đất. Đường cong xác suất phân bố điện tích được trình bày trên hình sau: Hình 1.2: Đường cong xác suất phân bố điện tích Ngoài sét giữa đám mây và mặt đất mà hầu hết mọi người quen thuộc, sét có thể xảy ra bên trong một đám mây, giữa các đám mây, hoặc giữa một đám mây và không khí. Sự tích tụ và giải phóng điện tích điện tạo ra tất cả các loại sét khác nhau:Theo dấu hiệu phía ngoài sét được phân ra thành một số loại. Loại phổ biến nhất là sét vạch với các dạng khác nhau như: sét dải, sét dạng tên lửa, sét dạng chữ chi và dạng nhánh, loại hiếm thấy nhất là sét cầu.

Sét vạch thường gặp nhất trong thiên nhiên và cũng chính là nguồn điện từ mạnh phổ biến nhất. Sét vạch gồm có các loại như sau: - Sét vạch “đám mây - đất”; - Sét vạch “đám mây - lớp khí quyển phía trên”; 2 - Sét vạch bên trong đám mây (đám mây); - Sét vạch “đám mây - đám mây”. Trong các dạng sét vạch thì sét vạch “đám mây - đất” thường hay gặp nhất. Âm thanh vang vọng lớn sau sét được gọi là sấm.

Điện từ của sét làm nóng các khí trong không khí. Khi các khí mở rộng mạnh mẽ, chúng tạo ra một âm thanh lớn. Để đánh giá độ bền của các công trình, thiết bị viễn thông đối với dòng sét quan trọng nhất là các tham số sau đây: Trị số điện tích mang; Dòng điện trong kênh sét; Số sét lặp trên một kênh sét; Cường độ hoạt động của dông sét.3: Tia sét sau khi hình thành Dòng sét: Dòng chảy trong kênh sét là đặc trưng định lượng cơ bản của sét. Dòng trong kênh sét là dòng xung, tăng nhanh từ 0 đến cực đại (sườn trước của sóng xung) và giảm tương đối chậm (sườn sau của sóng xung).

Một dòng sét bao gồm các thành phần dòng xung, dòng vầng quang và dòng một chiều. Hình sau mô tả dòng điện trong kênh sét: 3 Hình 1.4: Dòng điện trong kênh sét Xung dòng sét được xác định thông qua đặc tính “biên độ - thời gian” với các thông số sau: - Biên độ dòng sét IS; - Thời gian (độ dài) sườn trước của xung T1. - Thời gian (độ dài) cho đến lúc sườn sau đạt một nửa giá trị biên độ dòng sét T2. Xung dòng sét (sóng sét) được đặc trưng bằng tỷ số độ dài sườn trước của xung T1 và độ dài cho đến lúc sườn sau đạt một nửa giá trị biên độ dòng sét T 2, có nghĩa là (T1/T2).

Ngoài đặc tính "biên độ - thời gian" của xung dòng sét được nêu ra ở trên, trong thực tế còn dùng cả tham số độ dốc trung bình sườn trước của xung I'S = dis(t)/dt. Dòng trong kênh sét thay đổi trong một phạm vi rộng từ vài KA đến trăm KA. Sét có dòng lớn xuất hiện rất hãn hữu. Sét có dòng 200 kA xuất hiện chiếm (0,7 - 1,0)% trong tổng số các trường hợp sét quan sát được.

Số trường hợp sét đánh có dòng 20 kA chiếm khoảng 50%. Vì thế người ta xác định biên độ dòng sét dưới dạng đường cong xác suất (như Hình 5a), trong đó trục tung là xác suất xuất hiện dòng sét có giá trị cực đại chỉ ra trên trục hoành. Đường cong xác suất gần đúng với quy luật phân bố xác suất hàm mũ sau đây có thể được sử dụng khi tính toán chống sét: (1.1) 4 Trong đó: IS: là giá trị cực đại của dòng sét, kA; p: là xác suất dòng sét cực đại lớn hơn dòng sét IStt; IStt: là biên độ dòng sét tính toán, kA. Theo ITU, sự phân bố xác suất dòng sét khi tính toán chống sét cho các đường dây thông tin (cả cáp ngầm và treo nổi) được biểu diễn bằng công thức như sau: 0, 𝐾ℎ𝑖 Is < 0 |𝑝(Is)| = { −2.2) 10 , 𝐾ℎ𝑖 Is ≥ 0 Trong đó : a = 4,617 và b=0,0117 với Is < 20kA a = 5,075 và b=0,0346 với Is < 20kA p(Is) là xác suất xuất hiện dòng sét có biên độ Is, (Is tính bằng kA).

Khi sét đánh xuống đất thì biên độ của dòng sét có khuynh hướng giảm khi điện trở suất của đất tăng. Trong giải điện trở suất của đất  = (200  1100) m, biên độ dòng sét thay đổi gần với quy luật hàm hypecbol bình phương và khi điện trở suất của đất  lớn biên độ dòng sét tiến tới một giá trị không đổi và được tính bằng công thức: IS=16+2.3) Cũng như biên độ dòng sét, độ dốc sườn trước của dòng sét biến đổi trong một phạm vi rộng. Đường cong xác suất độ dốc của dòng sét xuất hiện gần giống với quy luật hàm mũ (như Hình 6b). Công thức kinh nghiệm phổ biến nhất về sự phân bố xác suất độ dốc dòng sét có dạng: (1.4) Trong đó: I'S là độ dốc sườn trước của dòng sét, kA/µs; I'Stt là độ dốc tính toán sườn trước của dòng sét, kA/µs.

Sự phân bố xác suất sét có IS ≥ IStt và I'S ≥ I'Stt được xác định bằng biểu thức sau: P(IS≥IStt; I’S≥I’Stt)≈e-(0,04Istt + 0,08Istt) (1.5) 5 Thời gian kéo dài sườn trước của xung dòng sét khi đánh xuống đất dao động trong phạm vi từ 0,5 µs đến 10 µs (xem Hình 5c). Thời gian kéo dài trung bình sườn trước của xung dòng sét thường lấy bằng T1 = 2 µs. Thời gian kéo dài của xung dòng sét (thời gian kéo dài của xung dòng sét cho đến khi sườn sau đạt 1/2 giá trị biên độ) về cơ bản được xác định bởi thời gian lan truyền của sét ngược từ đất đến đám mây, vì thế nó thay đổi từ 20 µs đến (80 - 100) µs, (như Hình 1. Thời gian kéo dài của xung dòng sét khoảng 50 µs.5: Đường cong phân bố xác suất Ghi chú: Hình 1.5: Đường cong phân bố xác suất: (a) biên độ dòng sét (1: cho vùng đồng bằng, 2: cho vùng núi); (b) độ dốc sườn trước của xung dòng sét; (c) thời gian kéo dài sườn trước của xung dòng sét; (d) thời gian kéo dài của xung dòng sét.

Số sét lặp trong một kênh sét, n Số sét lặp (n) trong một kênh sét dao động trong phạm vi: - n = (2÷ 5) chiếm khoảng (25÷70)% các trường hợp; - n = 10 chiếm khoảng 5% các trường hợp. Số sét lặp trung bình trên một kênh thường lấy là n = 3. Số sét lặp trên một kênh được đặc trưng bằng đường cong xác suất trình bày trên hình sau: 6 Hình 1.6: Đường cong xác suất phân bố số sét lặp trong một kênh sét Cường độ hoạt động của dông sét, D Cường độ hoạt động của dông (D) được xác định bằng số ngày dông trong năm hoặc tổng số giờ dông trong năm. Cường độ hoạt động của dông trong các vùng khí hậu khác nhau thì rất khác nhau.

Cường độ hoạt động của dông được dùng để xác định mức độ tác động của dông đến các công trình, thiết bị viễn thông. Ở Việt nam số ngày dông trong năm ở các vùng phía Bắc là nhỏ và tăng dần lên ở các vùng phía Nam, ở đó độ ẩm không khí tăng lên còn nhiệt độ thì cao có khả năng mạnh hình thành các đám mây dông. Các đặc điểm cơ bản của dông sét nhằm để xem xét đánh giá ảnh hưởng của nó đến độ bền các công trình, thiết bị viễn thông được trình bày trong bảng sau: Bảng 1.1: Các đặc điểm cơ bản của dông sét Tham số Giá trị cơ sở - Các đặc điểm cơ bản: + Điện thế đám mây dông, V 108 + Bán kính tương đương của đám mây dông tích điện âm, 2,0 km + Độ cao của trung tâm tích điện âm trên mặt đất, km 4,0 + Tổng thời gian kéo dài của sét, s. Trong đám mây (Mây - Mây) 0,9 + Chiều dài kênh sét, km 4,5.

Trong đám mây (Mây - Mây) 7 + Số lượng sét 3. Trong đám mây (Mây - Mây) 200 + Trở kháng sóng tương đương của kênh sét,  - Gây ra hư hỏng cho các công trình của kỹ thuật hàng không vũ trụ và các vật dễ nổ trên mặt đất: + Biên độ dòng sét, kA. Sét thứ nhất 200. Sét tiếp sau 100 + Độ dốc của dòng sét, kA/s 140 + Độ dài của dòng xung sét, s.

Sét thứ nhất 75. Sét tiếp sau 30 + Điện tích của sét, C 200 + Xác suất xuất hiện đặc trưng, % 1,0 - Gây ra hư hỏng cho các công trình trên mặt đất: + Biên độ dòng sét, kA. Sét thứ nhất 20 .