Luận văn Thạc sĩ Toán: tính toán mức độ rủi ro thiệt hại do sét đánh cho

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính toán mức độ rủi ro thiệt hại do sét đánh cho công trình viễn thông, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh

• Tác giả: Nguyễn Thị Hà Nguyên
• Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Tính Toán Mức Độ Rủi Ro Thiệt Hại Do Sét Đánh Cho Công Trình Viễn Thông
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về tính toán mức độ rủi ro thiệt hại do sét đánh

Tính toán mức độ rủi ro thiệt hại do sét đánh là quá trình đánh giá khả năng xảy ra những sự cố nguy hiểm và mức độ ảnh hưởng của các sự kiện sét đánh đối với công trình viễn thông. Nghiên cứu luận văn ThS của Nguyễn Thị Hà Nguyên tập trung vào phương pháp tính toán này theo tiêu chuẩn IEC 62305 và QCVN 32:2011/BTTTT. Quá trình này bao gồm việc xác định số lần sét đánh trung bình, xác suất thiệt hại và hệ số tổn thất. Mục tiêu chính là đánh giá rủi ro cho các trạm viễn thông và xây dựng các biện pháp bảo vệ hiệu quả nhằm giảm thiểu thiệt hại kinh tế và đảm bảo an toàn cho công trình.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của rủi ro do sét

Rủi ro do sét đánh được định nghĩa là mức độ ảnh hưởng tiêu cực của các sự kiện sét đánh lên công trình viễn thông. Việc tính toán rủi ro giúp xác định những vùng nguy hiểm, ước tính chi phí tổn thất và lập kế hoạch bảo vệ. Tiêu chuẩn IEC 62305 cung cấp phương pháp khoa học để đánh giá các thành phần rủi ro như tổn thất do hỏng hóc thiết bị và gián đoạn dịch vụ.

1.2. Các tiêu chuẩn áp dụng trong tính toán

Luận văn sử dụng hai tiêu chuẩn chính: IEC 62305 và QCVN 32:2011/BTTTT. IEC 62305 là tiêu chuẩn quốc tế về bảo vệ chống sét, cung cấp phương pháp tính toán chi tiết. QCVN 32:2011/BTTTT là tiêu chuẩn của Việt Nam dành riêng cho trạm viễn thông, phù hợp với điều kiện khí hậu và địa điểm Việt Nam.

II. Phương pháp tính toán và đánh giá thiệt hại do sét

Phương pháp tính toán mức độ rủi ro thiệt hại do sét dựa trên việc phân tích các thành phần rủi ro cơ bản. Luận văn ThS xác định rằng rủi ro tổng cộng được tính từ nhiều thành phần bao gồm rủi ro do tác động trực tiếp sét, rủi ro do quá áp cảm ứng, và rủi ro do gián đoạn dịch vụ. Quy trình bao gồm ba bước chính: xác định số lần sét đánh trung bình (Ng), xác định xác suất thiệt hại (Px), và xác định hệ số tổn thất (Lx). Mỗi thành phần được tính toán riêng rồi tổng hợp để có được mức độ rủi ro toàn bộ cho công trình viễn thông.

2.1. Xác định số lần sét đánh trung bình hàng năm

Số lần sét đánh trung bình (Ng) được xác định dựa trên mật độ sét đánh trong khu vực và diện tích công trình. Công thức tính sử dụng dữ liệu thống kê sét từ các trạm quan trắc. Dữ liệu này được tích hợp từ các bản đồ sét Việt Nam để đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện địa phương của từng công trình viễn thông.

2.2. Tính xác suất thiệt hại và hệ số tổn thất

Xác suất thiệt hại (Px) phụ thuộc vào cấp độ bảo vệ và loại công trình. Hệ số tổn thất (Lx) đại diện cho mức độ ảnh hưởng của sự kiện sét. Cả hai thành phần này được đánh giá riêng cho từng loại thiệt hại: tổn thất nhân mạng, tổn thất kinh tế và gián đoạn dịch vụ viễn thông.

III. Ứng dụng tính toán rủi ro cho trạm viễn thông

Ứng dụng tính toán rủi ro do sét cho trạm viễn thông là nội dung trọng tâm của luận văn. Các trạm viễn thông có những đặc điểm đặc biệt: chứa thiết bị điện tử nhạy cảm, hoạt động liên tục 24/7, và gián đoạn dịch vụ gây hậu quả lớn. Luận văn đề xuất một chương trình tính toán toàn diện dựa trên tiêu chuẩn QCVN 32:2011/BTTTT. Phương pháp này tính toán rủi ro chấp nhận được (Rt) và so sánh với rủi ro thực tế. Kết quả giúp xác định mức độ bảo vệ cần thiết và các biện pháp giảm thiểu rủi ro phù hợp với từng trạm cụ thể.

3.1. Thiệt hại đặc thù của trạm viễn thông

Thiệt hạn do sét đánh đối với trạm viễn thông bao gồm: hư hỏng thiết bị truyền dẫn, hỏng hóc hệ thống nguồn, tổn hại đường truyền quang học và gián đoạn cấp điện. Chi phí thiệt hại có thể lên tới hàng tỷ đồng tùy vào thời gian gián đoạn. Do đó, tính toán rủi ro chính xác là cần thiết để đầu tư bảo vệ phù hợp.

3.2. Rủi ro chấp nhận được và biện pháp bảo vệ

Rủi ro chấp nhận được (Rt) cho trạm viễn thông được xác định theo tiêu chuẩn QCVN 32. Nếu rủi ro tính toán vượt quá Rt, cần áp dụng các biện pháp bảo vệ: lắp đặt hệ thống chống sét, cải thiện nối đất, bảo vệ thiết bị điện tử. Luận văn cung cấp ma trận quyết định để lựa chọn biện pháp phù hợp với mức độ rủi ro.

IV. Xây dựng chương trình phần mềm tính toán rủi ro

Luận văn ThS đạt điểm mới bằng cách xây dựng chương trình phần mềm tính toán rủi ro do sét tự động. Chương trình này tích hợp tất cả các công thức tính toán theo tiêu chuẩn IEC 62305 và QCVN 32:2011/BTTTT. Người dùng chỉ cần nhập các tham số công trình: vị trí địa lý, chiều cao, loại thiết bị, mức độ bảo vệ hiện có. Phần mềm sẽ tự động tính toán tất cả các thành phần rủi ro và đưa ra kết quả chi tiết. Chương trình được thử nghiệm trên nhiều trạm viễn thông thực tế với độ chính xác cao, tiết kiệm thời gian so với tính toán thủ công.

4.1. Quy trình xây dựng phần mềm tính toán

Quy trình bao gồm: phân tích yêu cầu, thiết kế giao diện người dùng, cài đặt công thức toán học, kiểm thử độ chính xác. Phần mềm tính toán rủi ro được phát triển với các module riêng cho mỗi loại thiệt hại. Giao diện thân thiện cho phép cả kỹ sư lẫn quản lý công trình dễ dàng sử dụng để đánh giá rủi ro và lập kế hoạch bảo vệ hiệu quả.

4.2. Kết quả thử nghiệm và ứng dụng thực tế

Chương trình được thử nghiệm trên các trạm viễn thông tại Việt Nam với kết quả độ chính xác từ 95% trở lên so với tính toán thủ công. Luận văn đề xuất hướng phát triển: bổ sung dữ liệu sét real-time, tích hợp bản đồ GIS, tạo cơ sở dữ liệu rủi ro quốc gia cho tất cả trạm viễn thông Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Sét là một hiện tƣợng tự nhiên. Trên thế giới, việc nghiên cứu về sét đã đƣợc các nhà khoa học thực hiện từ rất lâu. Những thiệt hại của sét là rất lớn đối với các công trình, lƣới điện, hệ thống viễn thông…và đặc biệt là đối với sinh mạng con ngƣời. Ngày nay, hệ thống viễn thông trên thế giới cũng nhƣ Việt Nam phát triển mạnh mẽ cả về mặt kỹ thuật lẫn qui mô.

Việc nghiên cứu về sét và chống sét cho các công trình viễn thông là nhiệm vụ quan trọng. Việt Nam là nƣớc có mật độ và cƣờng độ sét tƣơng đối cao nên thiệt hại do sét đối với hệ thống viễn thông là rất lớn. Một trong những công việc quan trọng để giảm thiệt hại là nghiên cứu đánh giá các rủi ro của sét đối với các công trình viễn thông. Luận văn này thực hiện nghiên cứu mức độ rủi ro thiệt hại do sét đánh trên công trình viễn thông từ đó xây dựng chƣơng trình tính toán mức độ rủi ro do sét đánh trên các công trình viễn thông dựa trên tiêu chuẩn IEC 62305-2010 [1,2], ITU- 39 [4], và QCVN 32-2011-BTTTT[3] 1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN Mục tiêu của luận văn là xác định phƣơng pháp hợp lý tính toán đánh giá mức độ rủi ro sét đánh trên các công trình viễn thông dựa theo các tiêu chuẩn IEC - 62305, ITU – K39 và QCVN 32:2011/BTTTT.

Nội dung luận văn bao gồm: 1. Tìm hiểu tổng quan về sét. Nghiên cứu, phân tích các rủi ro do sét gây ra cho các công trình theo các tiêu chuẩn trong và ngoài nƣớc. Đánh giá kết quả tính toán rủi ro thiệt hại do sét đánh cho trạm viễn thông điển hình theo các tiêu chuẩn khác nhau và đƣa ra khuyến cáo cụ thể.

Xây dựng chƣơng trình tính toán các thông số rủi ro và mức độ bảo vệ HV: Nguyễn Thị Hà Nguyên 1 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh sét đánh cho công trình viễn thông.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Phạm vi nghiên cứu của luận văn tập trung nghiên cứu về sét và các rủi ro do sét đánh vào các công trình viễn thông, cột viễn thông theo các tiêu chuẩn trong và nƣớc. Trên cơ sở đó, đƣa ra các khuyến cáo và phạm vi ứng dụng của từng tiêu chuẩn.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Thu thập tài liệu 2. Phân tích, tổng hợp 3.

Lập trình 1.5 CÁC BƢỚC TIẾN HÀNH 1. Thu thập, nghiên cứu và chọn lọc các tài liệu liên quan đến đề tài 2. Nghiên cứu, phân tích và tính toán các thành phần rủi ro do sét gây ra cho trạm viễn thông theo các tiêu chuẩn khác nhau. Xây dựng qui trình đánh giá rủi ro phù hợp với trạm viễn thông và viết chƣơng trình tính toán.

Thử nghiệm chƣơng trình, đánh giá và so sánh kết quả. Kết luận và hƣớng phát triển của đề tài.6 ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI 1. So sánh việc đánh giá rủi ro do sét gây ra cho trạm viễn thông theo tiêu chuẩn IEC – 62305 và tiêu chuẩn Việt Nam QCVN 32:2011/BTTTT và chia ra các kiến nghị cụ thể. Xây dựng chƣơng trình tính toán các thông số rủi ro cho công trình viễn thông.7 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.

Kết quả nghiên cứu của đề tài ứng dụng vào thực tế trong công tác đánh giá rủi ro do sét gây ra cho các trạm viễn thông ở Việt Nam. Làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu ở cấp cao hơn trong lĩnh vực chống sét. HV: Nguyễn Thị Hà Nguyên 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh 1.8 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Chƣơng 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ SÉT Chƣơng 3: PHÂN TÍCH CÁC RỦI RO DO SÉT GÂY RA THEO TIÊU CHUẨN IEC - 62305 Chƣơng 4: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC RỦI RO DO SÉT GÂY RA CHO CÁC TRẠM VIỄN THÔNG THEO QCVN 32:2011/BTTTT Chƣơng 5: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN RỦI RO DO SÉT CHO TRẠM VIỄN THÔNG Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG ĐỀ NGHỊ HV: Nguyễn Thị Hà Nguyên 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh Chƣơng 2 TỔNG QUAN VỀ SÉT 2. HIỆN TƢỢNG SÉT TRONG TỰ NHIÊN Sét là hiện tƣợng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất, hay những đám mây tích điện trái dấu.

Nó đƣợc thể hiện bằng các tia lửa hay tia chớp kèm theo tiếng sấm mà chúng ta thƣờng thấy trong tự nhiên [10]. Trƣớc khi có sự phóng điện của sét đã có sự tích điện và phân chia điện tích rất mạnh trong các đám mây giông. Hiện tƣợng này xảy ra là do tác dụng của các luồng không khí nóng thổi bốc lên với hơi nƣớc ngƣng tụ trong các đám mây. Các đám mây mang điện là do kết quả của sự phân tích của các điện tích trái dấu và tập trung chúng trong các phần khác nhau của đám mây.

Phần dƣới của các đám mây dông thƣờng tích điện âm. Các đám mây cùng với đất hình thành các tụ điện mây đất. Phần trên của các đám mây thƣờng tích lũy các điện tích dƣơng. Phân bố điện tích Hình 2.

Sự hình thành sét khi có đám mây dông Cƣờng độ điện trƣờng của tụ điện mây – đất tăng dần lên và nếu chỗ nào đó cƣờng độ đạt tới trị số tới hạn 25 – 30 KV/cm thì không khí bị ion hóa và bắt đầu trở nên dẫn điện. HV: Nguyễn Thị Hà Nguyên 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh Sự phóng điện của sét chia thành ba gian đoạn. Đầu tiên, phóng điện giữa đám mây và đất bắt đầu bằng sự xuất hiện một dòng sang phát triển xuống đất, Hình 2.3 (a)[6], chuyển động từng đợt với tốc độ 100 – 1000 km/s, dòng điện này mang phần lớn điện tích của đám mây, tại đầu cực của nó một điện thế rất cao hàng triệu vôn. Giai đoạn này gọi là giai đoạn phóng điện tiên đạo từng bậc.

Khi dòng tiên đạo vừa mới phát triển đến đất hay các vật dẫn điện nối với đất thì gian đoạn thứ hai bắt đầu nhƣ Hình 2.3 (b), đây là giai đoạn phóng điện chủ yếu của sét. Trong giai đoạn này, các điện tích dƣơng của đất di chuyển có hƣớng từ đất theo dòng tiên đạo với tốc độ lớn (6.104 – 105 km/s) chạy lên và trung hòa các điện tích âm của dòng tiên đạo. Sự phóng điện chủ yếu đƣợc đặc trƣng bởi dòng điện lớn qua chỗ sét đánh gọi là dòng điện sét. Dòng điện này trung bình có thể lên đến giá trị kA.

Không khí trong dòng phóng điện đƣợc nung nóng đến nhiệt độ 15000C0 trong vài chục ms, với sự dãn nở rất nhanh tạo thành sóng âm thanh gọi là sấm. Ở giai đoạn phóng điện thứ ba của sét sẽ kết thúc sự di chuyển các điện tích của đám mây mà từ đó bắt đầu quá trình phóng điện và sự lóe sáng dần dần biến mất nhƣ Hình 2. Thƣờng thì phóng điện sét gồm một loạt phóng điện kế tiếp nhau do sự dịch chuyển điện tích từ các phần khác nhau của đám mây. Tiên đạo của những lần phóng điện sau đi theo dòng đã bị ion hóa ban đầu, vì vậy chúng phát triển liên tục và đƣợc gọi là tiên đạo dạng mũi tên.

Ba giai đoạn hình thành sét HV: Nguyễn Thị Hà Nguyên 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh Trong điều kiện thời tiết nhiệt độ bình thƣờng thì có khoảng 90% sét hƣớng âm nghĩa là các điện tích âm từ các đám mây phóng xuống đất. Nhƣng thỉnh thoảng, đăc biệt vào m a đông thì cũng xảy ra sét hƣớng dƣơng nghĩa là các điện tích dƣơng từ đất phóng điện lên các đám mây. Giá trị điện thế và dòng điện sét tùy thuộc vào từng v ng địa lí. Sét phóng điện từ mây xuống đất Sét phóng điện từ đất lên mây Hình 2.

CÁC THÔNG SỐ CỦA SÉT Hiện tƣợng sét diễn ra trong khoảng thời gian cực nhỏ, các điện tích di chuyển với tốc độ lớn nên việc xác định các thông số của sét gặp khó khăn và nguy hiểm. Trong đó dòng điện sét là nguyên nhân đầu tiên gây hƣ hỏng về nhiệt và cơ. Bên cạnh đó, việc tăng nhanh biên độ dòng điện sét có thể gây ra quá điện áp trong các thiết bị, hệ thống điện và điện tử. Các tác hại của dòng điện sét thƣờng đƣợc đánh giá qua các thông số sau [1]: HV: Nguyễn Thị Hà Nguyên 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh - Giá trị đỉnh (biên độ) dòng điện sét imax.

- Năng lƣợng riêng của dòng sét ∫. - Độ dốc đầu song c a dòng điện ( ) Hình 2. Dạng sóng dòng sét chuẩn Giá trị biên độ đỉnh imax rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống tiếp đất bởi vì nó cho phép xác định giá trị điện áp trên điện trở tiếp địa này. Trong khi điện tích Q và năng lƣợng riêng của dòng sét sẽ tạo ra các hiệu ứng nhiệt và cơ, gây ra hiện tƣợng quá điện áp trong hệ thống và thiết bị.

Để đo đƣợc dòng điện sét cần phải sử dụng các máy hiện sóng cực nhanh. Theo tiêu chuẩn IEC 62305 – 2010 phần phụ lục A hoặc theo QCVN 32-2011/ BTTTT [1],[3] dạng sóng chuẩn của dòng điện sét nhƣ Hình 2.5 và điện áp sét chuẩn nhƣ Hình 2. Dạng sóng điện áp sét chuẩn HV: Nguyễn Thị Hà Nguyên 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh 2. PHÂN BỐ SÉT Ở VIỆT NAM Việt Nam là nƣớc nằm ở v ng Đông Nam Á, cận xích đạo nên có khí nhiệt đới gió mùa.

Với đặc điểm địa lí và khí hậu đó, Việt Nam có số ngày dông sét tƣơng đối cao. Theo bản đồ phân bố dông sét trên thế giới (hình 2.8)[8] thì số ngày dông sét tính trung bình khoảng 40 -60 ngày/ năm. Đường xích đạo Số ngày dông sét. Bản đồ phân bố số ngày dông sét trên thế giới.

Mặt khác, lãnh thổ Viêt Nam trải dài từ vĩ độ 23030 đến 80 nên mật độ dông sét tại các v ng cũng khác nhau và có xu hƣớng tăng dần về phía nam, từ biển vào đất liền. Bản đồ “Phân bố số ngày dông trên lãnh thổ Việt Nam” (Hình 2.9) thể hiện hình ảnh cụ thể về phân bố dông hàng năm trên các v ng đất nƣớc. Qua bản đồ này có thể rút ra một số nhận xét sau:  Hình thành một xu thế tăng dần số ngày dông hàng năm từ biển vào đất liền khá rõ nét. Ven biển Trung bộ là khu vực có số ngày dông thấp nhất, HV: Nguyễn Thị Hà Nguyên 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.Quyền Huy Ánh đặc biệt Nam Trung bộ khoảng từ 10  20 ngày dông/năm, các tháng vào m a đông không có dông, tháng nhiều nhất cũng chỉ 3  5 ngày.